9 - Cimentaciones Y Taludes EN ROCA PDF

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Temas teóricos de clase de la asignatura, muy completos y muy bien desarrollados....

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GEOTECNIA Grado en Ingeniería Civil - E.T.S.I. Sevilla - 2020-2021

TEMA 9

CIMENTACIONES Y ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA Juan Diego Bauzá Castelló

ÍNDICE W Caracterización del macizo rocoso W Discontinuidades en el macizo rocoso W Cimentaciones directas en roca: presión admisible W Cimentación mediante pilotes en roca W Estabilidad de taludes en rocas r Deslizamiento plano r Rotura en cuña r Rotura por vuelco

W Técnicas de contención de taludes en roca

INTRODUCCIÓN W Se considera como roca un agregado de minerales formando porciones continuas, de dimensiones superiores a 10 cm cuya resistencia a compresión simple supera el umbral de 1 MPa W El comportamiento de un macizo rocoso está más condicionado por sus planos de debilidad que por las propias características intrínsecas de la roca matriz W Las características de la roca matriz se determinan mediante ensayos directos o indirectos, fundamentalmente basados en la resistencia a compresión simple W Las propiedades de las discontinuidades se obtienen de forma en ocasiones cualilativa a través de su observación y medición

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS W Rocas sedimentarias: r Conglomerados, areniscas, limolitas, argilitas, margas, calizas, calizas

margosas, calcarenitas, dolomías, yesos, etc.

W Rocas metamórficas: r Cuarcitas, pizarras, esquistos, gneises, corneanas, etc.

W Rocas plutónicas: r Granitos, dioritas, gabros, pórfidos, peridotitas, etc.

W Rocas volcánicas: r Basaltos, fonolitas, piroclastos, traquitas, ofitas, riolitas, andesitas,

dacitas, etc.

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO W Un macizo rocoso se caracteriza por la resistencia y grado de meteorización de la roca matriz, que debe matizarse con otras propiedades de sus discontinuidades: r Apertura r Rugosidad r Tipo de relleno r Espaciamiento r Índice de fracturación r Persistencia r Clase RQD r Presencia de agua

W Estos parámetros se suelen utilizar para determinar otros índices, tales como el RMR, indicativos del comportamiento global del macizo rocoso

CLASIFICACIÓN DE LA ROCA MATRIZ

METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

Fuente: Irving Lecca Castillo

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

Fuente: Enrique Montalar

ORIENTACIÓN

Fuente: Irving Lecca Castillo

ESPACIAMIENTO

Fuente: Irving Lecca Castillo

PERSISTENCIA

Fuente: Irving Lecca Castillo

RUGOSIDAD

Fuente: Irving Lecca Castillo

APERTURA

Fuente: Irving Lecca Castillo

RELLENO

Fuente: Irving Lecca Castillo

DISCONTINUIDADES EN LAS ROCAS

DISCONTINUIDADES EN LAS ROCAS

DISCONTINUIDADES EN LAS ROCAS

DISCONTINUIDADES EN LAS ROCAS

PRESENCIA DE AGUA W El agua en las discontinuidades puede lubricar los planos así como introducir presiones que tiendan a separarlos, propiciando el movimiento relativo entre sus caras

CIMENTACIONES DIRECTAS W El estudio de la seguridad frente al hundimiento mediante fórmulas analíticas es complicado, pues no existen modelos de comportamiento en rotura sobre los que se tenga experiencia práctica suficiente W Por ello, se suele abordar a través de expresiones empíricas que cuantifican la carga admisible a partir de la resistencia a compresión simple de la roca matriz afectada de coeficientes reductores que cuantifican el grado de meteorización y sus discontinuidades W Los coeficientes pueden suponer reducciones hasta el 10 % de la resistencia a compresión simple W En casos extremos de alteración o fracturación se puede considerar la roca como si se tratase de un suelo y aplicarle las teorías de éstos: r Rocas de muy baja resistencia a la compresión simple, qu

RMR 10 10 40

(GPa )

1 MPa 4 MPa 10 MPa 50 MPa 100 MPa

PRESIÓN ADMISIBLE EN ROCAS (GCOC) W Una cimentación sobre roca queda comprobada frente a los modos de fallo de hundimiento, deslizamiento, vuelco y movimientos excesivos cuando la presión de servicio de la misma no supera a la presión admisible, que puede estimarse mediante la siguiente expresión:

pv adm

p0

1

2

3

qu p0

pv adm = presión admisible p0 = presión de referencia; se adopta un valor de 1 MPa qu = resistencia a compresión simple de la roca sana 1, 2, 3 = parámetros adimensionales que dependen del tipo de roca, de su grado de alteración y del espaciamiento de las litoclasas

W Los parámetros aplicados deben ser los representativos del comportamiento del volumen de roca situado bajo la cimentación hasta una profundidad de 1,5 B* , medida desde su plano de apoyo

INFLUENCIA DEL TIPO DE ROCA W A igualdad de grado de alteración y de espaciamiento del diaclasado, existen rocas cuya estructura es más proclive a contener planos de debilidad no detectados en los sondeos ni en los ensayos de compresión simple, realizados con muestras de pequeño tamaño W Así, las rocas pueden clasificarse en varios grupos, desde el primer grupo en el que no se temen grietas no detectables por los reconocimientos hasta un cuarto grupo en el que el tipo de roca es proclive a contener otros planos de debilidad aparte de los detectables W El parámetro 1 puede determinarse en laboratorio ensayando muestras a tracción (o tracción indirecta) para medir la relación que existe entre la resistencia a tracción simple qt y la resistencia a compresión simple qu: 1

10 q t qu

INFLUENCIA DEL TIPO DE ROCA W Cuando aparezcan varios tipos de roca en un mismo apoyo, o existan dudas, se debe adoptar 1 = 0,4

INFLUENCIA DEL ESTADO DEL MACIZO W Grado de meteorización, parámetros

2:

r Grado de meteorización I, roca sana o fresca:

= 1,0 r Grado de meteorización II, roca ligeramente meteorizada: 2 = 0,7 r Grado de meteorización III, roca moderadamente meteorizada: 2 = 0,5 r Para grado de meteorización igual o superior al IV se calcula como suelos 2

W Espaciamiento entre litoclasas, adoptando para 3

min

3a ,

3b

3a

s 1m

3b

3

el menor de:

RQD % 100

s = Espaciamiento entre las litoclasas expresado en m; se utilizará el correspondiente a la familia de diaclasas que conduzca a un valor menor 1 m = Valor que se utiliza para hacer adimensional la expresión correspondiente RQD = Rock Quality Designation

RQD W El índice RQD ó Rock Quality Designation (U. Deere,1963) se define como el porcentaje de recuperación de testigos de más de 10 cm de longitud (en su eje) sin tener en cuenta las roturas frescas del proceso de perforación respecto de la longitud total del sondeo

LIMITACIONES AL PROCEDIMIENTO W La cimentación queda establecida en un terreno cuya pendiente no supera el 10% W La inclinación de las acciones no supera el 10% (tgδ < 0,10): r Si la inclinación de las acciones es mayor:

• La presión admisible debe reducirse multiplicando por el factor i = (1,1 – tg δ)3 • Se debe realizar la comprobación de la estabilidad al deslizamiento y al vuelco

W No existe un flujo de agua con gradiente importante (i ≤ 0,2) en ninguna dirección W El área de apoyo es menor que 100 m2 r En caso de ser mayor se deben comprobar los asientos

W En cualquier caso, la presión de servicio de una cimentación superficial en roca obtenida por este tipo de métodos no debe superar el valor de 5 MPa, salvo justificación expresa

OTROS MODOS DE FALLO W La estructura de la roca puede generar problemas adicionales debido a la orientación de diaclasas, anisotropía, etc. que requieren un análisis específico de estabilidad o deformabilidad: a) Deslizamiento en bloque favor b)

c) d) e) f)

de planos de discontinuidad Deslizamiento en cuña por presencia de varias familias de discontinuidades Vuelco de estratos, “toppling” Rotura generalizada en macizos muy fracturados Pandeo de estratos Comprobación de asientos en alternancias de rocas de diferente deformabilidad

PILOTES EN ROCA

PILOTES EN ROCA W Normalmente se recurre a pilotes en roca cuando sobre ésta se atraviesan niveles de terreno poco resistentes W Se trata entonces de pilotes columna empotrados en la punta W El aprovechamiento del rozamiento del fuste a lo largo de los suelos o rocas más alteradas sobre dicha profundidad necesita una deformación que no es compatible con la del empotramiento en roca, por lo que no se considera W La longitud del empotramiento debe medirse a partir de la profundidad en que se obtiene contacto con la roca en toda la sección del pilote: esta profundidad dependerá de la inclinación local del techo rocoso W Debe garantizarse la continuidad de la roca con características no inferiores a las consideradas, al menos, en una profundidad de tres diámetros por debajo del apoyo de la punta

PILOTES EN ROCA (CTE) W El valor de cálculo de la resistencia unitaria por punta en roca se calcula de manera similar a las cimentaciones directas:

q p ,d

K sp

K sp q u d f

3 sB 10

1 300 a s

qu la resistencia a la compresión simple de la roca sana s espaciamiento de las discontinuidades; s > 300 mm B anchura del cimiento en m; 0,05 < s/B < 2 a apertura de las discontinuidades: a < 5 mm en junta limpia a < 25 mm en junta rellena con suelo o con fragmentos de roca alterada Se debe cumplir que: 0 < a/s < 0,02

df

1 0,4

Lr d

3

Lr profundidad de empotramiento en roca d diámetro real o equivalente (igual área) del pilote

PILOTES EN ROCA (CTE) W El valor de cálculo de la resistencia unitaria por fuste (MPa) es igual a: f ,d

0,2

qu

f,d

MPa

qu en MPa W Se debe verificar siempre que la roca es estable en agua W La resistencia por fuste de pilotes en roca debe contabilizarse únicamente dentro del empotramiento en roca sana o con grados de alteración II y III, a lo sumo W Estos valores de cálculo ya llevan incorporados los coeficiente de seguridad, por lo que se trata de valores “admisibles”

PILOTES EN ROCA (GCOC) W La resistencia unitaria por punta puede estimarse a partir del valor de la presión admisible para cimentaciones superficiales:

qp

2 p v adm

pv adm = Presión admisible para una cimentación superficial en roca tomando B* = D, diámetro real o equivalente del pilote

W Cuando el empotramiento sea importante, se puede utilizar el mismo procedimiento, multiplicando la carga de hundimiento por punta anterior por el factor de empotramiento, df:

df

1 0,4

Lr D

2

df = Factor de empotramiento en roca, de la zona de la punta Lr = Profundidad de empotramiento en roca de la misma o mejor calidad que la existente en la punta D = Diámetro real o equivalente del pilote

W Se debe limitar qp < 20 MPa

PILOTES EN ROCA (GCOC) W La resistencia por fuste de pilotes en roca sólo debe ser contabilizada dentro del empotramiento en roca sana o con grados de alteración II y III W El aprovechamiento del rozamiento del fuste en rocas más alteradas necesita una deformación que, en general, no es compatible con el empotramiento de la punta W En la zona de empotramiento se puede obtener la resistencia unitaria por fuste, f : f

0 ,1 qp

= Resistencia unitaria por fuste dentro del empotramiento en roca qp = Resistencia unitaria por punta antes de ser afectada por el factor df, en su caso f

W En cualquier caso,

f

se limitará a 2 MPa

TOPE ESTRUCTURAL (CTE) Tipo de instalación

Hincados

Tipo de pilote

Valores de

(MPa)

Hormigón pretensado o postensado

0,30 (fck-0,9 fp)

Hormigón armado

0,30 fck

Metálicos

0,30 fyk

Madera

5 Tipo de apoyo

Perforados

Suelo firme

Roca

Entubados

5

6

Lodos

4

5

En seco

4

5

Barrenados sin control de parámetros

3,5

--

Barrenados con control de parámetros

4

--

W Con control de integridad, los perforados +25%

TOPE ESTRUCTURAL (GCOC)

INESTABILIDAD GLOBAL Clasificación simplificada de movimientos de ladera (VARNES, 1970) Tipo de material Tipo de movimiento

Suelo

Roca

De grano grueso

De grano fino

Caídas

Caída de rocas

Caída de detritus

Caída de suelos

Basculamientos

Basculamiento de rocas

Basculamiento de detritus

Basculamiento de suelos

Rotacionales

Deslizamiento rotacional de rocas

Traslacionales

Deslizamiento traslacional de rocas

Deslizamiento traslacional de detritus

Deslizamiento traslacional de suelos

Extensiones laterales

Extensión lateral en roca

Extensión lateral de detritus

Extensión lateral de suelos

Flujos

Flujo de rocas

Flujo de detritus

Flujo de suelos

Deslizamientos

Movimientos complejos

Deslizamiento Deslizamiento rotacional de detritus rotacional de suelos

Combinación de dos o más tipos

TIPOS DE INESTABILIDADES Desprendimientos

Vuelcos Imágenes de González Vallejo, 2.002

TIPOS DE INESTABILIDADES Deslizamientos rotacionales

Deslizamientos traslacionales Imágenes de González Vallejo, 2.002

TIPOS DE INESTABILIDADES Flujos

Extensiones laterales Imágenes de González Vallejo, 2.002

ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA W Los problemas de inestabilidad en macizos rocosos tienen un carácter especial, ya que en general, tienen un comportamiento en rotura muy condicionado por la existencia de planos de debilidad natural en sus juntas de estratificación, en el caso de rocas sedimentarias, y en las diaclasas que existen en todo tipo de rocas W En rocas muy diaclasadas, esto es, con espaciamiento entre diaclasas pequeño y afectadas por familias de fracturas de distintas orientaciones, así como en las rocas muy alteradas, es suficientemente conservador asimilarlas a suelos W En rocas sanas, sobre todo si están poco diaclasadas, se deben utilizar procedimientos de análisis específicos de la mecánica de rocas para evaluar la seguridad frente a la estabilidad global de las obras realizadas en su entorno W Se incluyen en este tema algunos conceptos y métodos básicas relativas a esos procedimientos de análisis

ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA W Posibles mecanismos de rotura en macizos rocosos: r Rotura frágil de un bloque, que cae por gravedad r Separación y movimiento a lo largo de un plano(s) de discontinuidad r Flexión de estratos que los desorganiza, con roturas localizadas r Pérdida de cohesión de un conjunto de bloques que caen por

gravedad

r Las reptaciones ocurren en suelos, no en rocas

W Los casos más estudiados son: r Deslizamiento

• Plano a lo largo de una junta • En cuña, a lo largo de dos juntas que forman un diedro • En tetraedro, a lo largo de tres juntas r Vuelco de estratos por flexión (“toppling”)

W La resistencia de la matriz de la roca sana, salvo en ocasiones muy excepcionales, no interviene en los cálculos de estabilidad global, sino la resistencia al corte de las diaclasas

ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA

DESLIZAMIENTO PLANO W Se llama rotura plana aquella en la que el deslizamiento se produce a través de una única junta o discontinuidad:

DESLIZAMIENTO PLANO W Se produce cuando existe una fracturación dominante en la roca y convenientemente orientada respecto al talud W Deben darse las condiciones siguientes: r Los rumbos o trazas horizontales del plano del talud y del plano de

deslizamiento deben ser paralelos o casi paralelos formando entre sí un ángulo máximo de (20º-30º)

r La junta debe aflorar en el talud r En la junta debe superarse la

resistencia a esfuerzo cortante

r Los límites laterales de la masa

deslizante han de producir una resistencia a deslizamiento despreciable

r El límite superior, si está en el

interior del terreno, debe presentar una discontinuidad o grieta de tracción

DESLIZAMIENTO PLANO W Condiciones geométricas: s

j

30º

s

j

dirección de buzamiento del talud j dirección de buzamiento de la junta s buzamiento del talud j buzamiento de la junta s

W En el caso más simple el coeficiente de seguridad vale:

F j

ángulo de rozamiento de la junta

tg

j

tg

j

W Si existe presión intersticial en la junta:

F

tg tg

j j

 1  w cos 

área donde actúan las presiones intersticiales w peso de la cuña rocosa

   j

ROTURA EN CUÑA W Rotura diédrica o en cuña es la producida a través de dos discontinuidades dispuestas oblicuamente a la superficie del talud que se intersectan en una línea (“quilla”) que aflora buzando en sentido desfavorable W Común en macizos rocosos con discontinuidades bien marcadas (fallas, fracturas, etc) W El buzamiento de la intersección debe ser mayor que el de rozamiento (condición necesaria pero no suficiente) W Si se produce deslizamiento de sólo una cara, se trata de una falsa cuña (deslizamiento plano)

ROTURA EN CUÑA W El análisis de estabilidad en rotura por cuñas es más complejo porque ha de hacerse en tres dimensiones W El coeficiente de seguridad de la cuña F puede obtenerse como:

F

k

tg tg

q

sen 1 2 sen

tg tg

q

buzamiento de la quilla ángulo del plano bisector con el plano donde la quilla es la máxima pendiente ángulo de abertura de la cuña

q

W Cuanto más estrecha sea una cuña mayor es la seguridad, interviniendo: r El ángulo diedro de la cuña: si es 180º (k = 1) es rotura plana r La oblicuidad de la cuña r La verticalidad o no del plano bisección de la cuña

ROTURA EN CUÑA

ROTURA POR VUELCO W La rotura por vuelco se produce cuando la familia preferente de discontinuidades tiene buzamiento contrario al de la ladera y se forman columnas esbeltas de roca, que se empiezan a partir por flexión, originándose bloques de roca que vuelcan, deslizan o deslizan y vuelcan simultáneamente

ROTURA POR VUELCO W Condiciones: r Que haya un cierto paralelismo entre la junta y el talud: s

j

180º

30º

s dirección

de buzamiento del talud j dirección de buzamiento de la junta r Que a lo largo de los planos laterales de las columnas de roca se supere el ángulo de rozamiento: j

s

j

90º

buzamiento de la junta s buzamiento del talud j ángulo de rozamiento j

j+ s

Vuelco de estratos

>120º

Muy probable

110-120º

Posible...