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1. INTRODUCCION
Capítulo 7
EL MATERIAL ROCOSO
DEFINICIÓN Y CARACTERISTICAS
Se llama material rocoso a la sustancia rocosa misma como fragmento, sin considerar
el efecto de las discontinuidades estructurales ni los esfuerzos “in situ”. En el macizo
rocoso en tanto consideramos la masa en conjunto: material y discontinuidades, en su
condición natural. Un trozo de granito, un bloque de arenisca o un núcleo de perforación
de cualquier tipo de roca, constituyen ejemplos de material rocoso; en tanto que la masa
de roca expuesta en una excavación subterránea que expone planos de diaclasas,
brechas de falla o cualquier otro elemento geológico, junto con los esfuerzos que actúan
a su alrededor, constituyen un macizo rocoso.
Las propiedades físicas y el comportamiento esfuerzo-deformación del material
rocoso dependen de la litología, es decir, la composición química y la textura, siendo
esta última la característica más importante.
Para comprender completamente el comportamiento de las rocas en las obras de
ingeniería deberá complementarse los aspectos aquí tratados, con los referentes a la
meteorización, la influencia de las discontinuidades, el flujo de agua y el estado de
esfuerzos en el ambiente real de los proyectos. Naturalmente para que se pueda entender
el comportamiento de las masas rocosas, es necesario comprender en primer término
todos los elementos que lo integran. Existen además muchas otras razones para entender
el comportamiento del material rocoso:
a) En el caso de rocas blandas o de altas concentraciones de esfuerzos en las masas
rocosas, son las propiedades del material rocoso las que gobiernan el
comportamiento de las masas rocosas.
b) En el caso de la utilización de las rocas como materiales de construcción, su uso
depende fundamentalmente de la textura y composición del material rocoso.
c) Varios problemas específicos tales como la durabilidad y alterabilidad de las rocas,
su perforabilidad, su excavabilidad etc., dependen en gran medida de las
características del material rocoso.
d) Finalmente, el rango de variación en las propiedades físicas y mecánicas de las rocas
en general, se puede correlacionar de manera relativamente fácil en el nivel del
material rocoso, ya que en las masas rocosas las discontinuidades y otros aspectos
relacionados, hacen más difícil plantear clasificaciones sistemáticas, por la forma
errática y aleatoria como influyen.
2. FACTORES DESCRIPTIVOS DEL MATERIAL ROCOSO
Las siguientes características se tienen en cuenta en el estudio del material rocoso:
a) Litología
Se refiere a la composición química y mineral de la roca y su textura.
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En cuanto a la composición de las rocas el factor que más influye en el comportamiento
de las rocas en obras de ingeniería es el grado de homogeneidad mineral, en el sentido
de que la roca presente o no una mezcla de minerales relativamente débiles y fuertes. Si
existe tal mezcla, la roca bajo carga, desarrolla una fase plástica antes de fallar; de lo
contrario su falla es de tipo frágil, siempre y cuando los granos sean resistentes. El
granito y la cuarcita, constituyen respectivamente buenos ejemplos.
En relación con la textura y fábrica, la textura se define como el tamaño, forma y
distribución de las partículas minerales en las rocas; la fábrica se restringe al modo
característico de articulación de las partículas (aglutinamiento, consolidación o
cristalinidad) y a su posible orientación preferencial. Se presentan cuatro tipos de
fábrica:
1) Cristalina masiva.
La roca posee cristales sin orientación preferencial perfectamente entrabados,
íntimamente juntos, con una fuerte articulación mecánica. Las rocas ígneas en general,
tanto plutónicas como volcánicas, así como las metamórficas masivas y muchas de las
sedimentarias no clásticas como la caliza o el chert son de esta clase. Rocas con este
tipo de fábrica son las más resistentes y menos deformables. Sin embargo la resistencia
es algo dispersa en las rocas volcánicas efusivas (ej: andesita, basalto), debido a que
éstas últimas son algo porosas. Las calizas tipo micrita, entre las sedimentarias no
clásticas y la cuarcita (metamórfica) se comportan de manera similar a los granitos.
2) Cristalina foliada.
Esta textura es propia de las rocas metamórficas foliadas. Los cristales están
entrelazados y orientados preferentemente, con poco entrabamiento mecánico. La
orientación preferencial de los cristales, imparte en estas rocas marcada direccionalidad
de sus propiedades mecánicas, por lo cual son más débiles en la dirección de la
foliación.
3) Clásticas cementada.
Los granos minerales son gruesos (arena, y grava), presentan grados variables de
empaquetamiento y se aglutinan con cementos minerales de diferentes calidades. Los
granos por lo general no están orientados salvo en las variedades con abundante mica
y/o arcilla. Las areniscas, los conglomerados y las brechas presentan este tipo de
fábrica. La resistencia de estas rocas es muy variable: las más resistentes y menos
deformables corresponden a las que presentan el mejor empaquetamiento de sus granos
y están cementadas con sílice.
4) Clástica consolidada (lutitas).
En las rocas de este tipo, que poseen grano fino (tamaño limo y arcilla), los granos
minerales se mantienen unidos por fuerza físico-eléctricas generadas en el proceso de
litificación, el cual se alcanza gracias a la compactación y/o consolidación de las
partículas, con alguna influencia de la cementación. A mayor grado de consolidación la
roca es más resistente y menos deformable. Existen dos variedades dentro de esta
fábrica: la consolidada laminada (shales) y la nó laminada (arcillolita, limolita, argilita).
El la lutita laminada la roca posee más del 10% de láminas (capitas de menos de 1 cm
de espesor), lo cual transmite a la roca alta direccionabilidad de sus propiedades
mecánicas. (Tabla I)
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Cristalina masiva (CM)
Ejemplos:
Granito
Cuarcita
Caliza cristalina
Cristalina foliada (CF)
Ejemplos:
Pizarra
Filita
Esquisto
Clástica cementada
(CCe)
Ejemplo:
ARENISCA
Clástica Cementada
(Cco)
Ejemplo
LUTITA
Tabla I FÁBRICA DE LAS ROCAS
CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS POR SU FÁBRICA
Rocas de cualquier origen, con cristales fuertemente entrabados.
Entre las ígneas, las plutónicas son más uniformes en su calidad, con
alta resistencia y mínima deformabilidad; las volcánicas (lavas y
piroclástos) pueden poseer alta porosidad y su rango de calidad es
variable 1 . Entre éstas últimas las diabasas son muy poco porosas y
poseen la calidad más uniforme entre todas las rocas ígneas. La
resistencia de la caliza micrita (sedimentaria) y la cuarcita (metamórfica)
es comparable a la del granito.
Rocas metamórficas con cristales entrelazados y orientación
preferencial, lo cual les imparte a estas rocas direccionalidad en las
propiedades mecánicas. Son también muy resistentes y poco
deformables pero su calidad es algo variable; dependiendo de que las
su resistencia se solicite en la dirección de la foliación (menos
resistentes y deformables) o perpendicularmente a ésta (más
resistentes y deformables.)
Sedimentarias de la fracción gruesa (SFG), con calidad muy abierta;
ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocas
cristalinas masivas. Su calidad es mejor si está cementada con sílice y
los clastos están empaquetados de forma muy densa. Pueden
presentar direccionalidad de las propiedades mecánicas, en el caso de
contener micas, hidromicas o láminas de arcilla.
Sedimentarias de la fracción fina (SFF), con calidad muy abierta;
ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores
rocas cristalinas masivas. Su calidad depende del contenido de
arcilla, grado de consolidación diagenética y de la calidad del
cementante. La lutitas arcillosas menos consolidadas son las de
más baja calidad.
Montero 2004
Se pueden hacer algunas consideraciones generales sobre la influencia de la fábrica en
el comportamiento mecánico de la rocas:
o Las rocas con fábrica cristalina masiva y foliada son las más resistentes y menos
deformables que las de fábrica clástica cementada y consolidada.
o Entre las rocas ígneas, todas con fábrica cristalina masiva, las plutónicas poseen
una calidad más uniforme que las volcánicas, estas últimas con alguna
1 La diabasa (roca volcánica), posee la más alta resistencia entre las ígneas; el basalto y las
andesita son de calidad variable.
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proporción de vidrio y porosidad variable. Esta última característica imparte en
las rocas efusivas una mayor dispersión de la calidad.
o Entre las rocas sedimentarias de fábrica cristalina masiva, las calizas del tipo
micrita son las de mejor calidad, en tanto que el chert puede ser algo poroso y
estar contaminado con arcilla en (plaener o porcelanita)
o Por otro lado las rocas laminadas y foliadas son mucho más débiles en la
dirección de la laminación o la foliación a la vez que menos deformables cuando
se cargan en esa dirección.
o El tamaño del grano parece influir solamente en las rocas ígneas: la diabasa por
ejemplo, que posee grano fino, es comparativamente más resistente que el gabro
o la diorita que poseen grano grueso. En cambio en las areniscas es más
importante el empaquetamiento de los granos que su tamaño relativo. A mayor
empaquetamiento, menor porosidad (mayor contacto entre las partículas
minerales). Esto se traduce en mayor resistencia y menor deformabilidad.
b) Condición de las Rocas.
Se refiere al estado de degradación química o mecánica en que se encuentre una roca,
por meteorización o por excesiva fracturación o cizallamiento en zonas de falla,
respectivamente. Estos dos aspectos factores se reconocen como: grado de
meteorización y rasgos de esfuerzos de origen mecánico.
Grado de meteorización
Es evidente que entre mayor sea el grado de meteorización la roca es más débil, a la vez
que más porosa y menos densa.
Presencia de rasgos especiales de debilidad.
Las rocas expuestas en zonas de falla, se presentan muy fracturadas y cizalladas, razón
por la cual se degradan mecánicamente de manera apreciable Las rocas dentro de estas
zonas de esfuerzos son naturalmente más débiles y por lo general presentan planos
preferenciales de rotura, que se reconocen por su textura suave especular y a veces
estriada (espejos de falla).
3. PROPIEDADES ÍNDICE
Como consecuencia de la génesis de las rocas, la cual se revela en su litología y
condición, las rocas poseen un conjunto de características de comportamiento
propiedades de comportamiento que permiten clasificarlas en ingeniería (propiedades
índice) entre las cuales se cuentan las que se relacionan con su densidad: porosidad y
contenido de humedad; con su resistencia y con su degradabilidad.
Con su densidad se relacionan la porosidad y en contenido natural de humedad.
Porosidad
Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total de una roca y se relaciona
con su textura, por lo menos en lo que se refiere a la porosidad de vacíos subesféricos
intergranulares conocida como porosidad de poros np . Es muy baja en el caso de las
rocas cristalinas en estado fresco, salvo algunas variedades porosas de lavas y
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ampliamente variable en las clásticas. Si se tiene en cuenta que la resistencia de las
rocas se incrementa proporcionadamente con la mayor área superficial de contacto- la
resistencia se transmite en los contactos entre las partículas minerales- es evidente que
las rocas menos porosas son más resistentes y menos deformables. Por su parte la
porosidad de fisuras nf aunque generalmente baja, afecta enormemente la calidad de las
rocas ígneas.
Contenido natural de humedad
En general entre mayor sea la absorción porcentual de una roca, menor será su
resistencia y las rocas en estado de saturación,- particularmente las lutitas- son más
débiles. En este último caso existe el problema adicional de la reacción de minerales
expansivos y de su baja permeabilidad que incrementa la subpresión en los poros.
Según Krynine la resistencia decrece hasta en un 12% para los granitos y un 20% para
las areniscas, cuando se saturan. A este respecto téngase en cuenta la relación directa
que existe entre la porosidad y la absorción.
Las propiedades que tiene que ver con su resistencia se enuncian y explica en el
siguiente capítulo.
En cuanto a la degradabilidad, esta propiedad se relaciona con la durabilidad, propiedad
que en ingeniería tiene que ver con la capacidad de los materiales pétreos usados en
obras de ingeniería para resistir adecuadamente la acción del clima para todo el tiempo
que debe durar una obra, por ejemplo la roca triturada que se usa en la construcción de
los pavimentos.
A este respecto las lutitas y otras rocas arcillosas, cuando no están bien cementadas, son
muy poco durables en las capas del pavimento.
Con respecto a la durabilidad, las lutitas se clasifican en dos grupos: las lutitas tipo roca
como las limonitas silíceas y las lodolitas y shales cementadas con sílice o calcita, que
se comportan bien en cimentaciones excavaciones y como material de construcción
(pavimentos, concretos, otras estructruras); y las lutitas tipo suelo como las arcillolitas
y shales arcillosos, que se degradan en muy poco tiempo en presencia del agua (ciclos
de humedecimiento-secado) provocando daños irreparables en las estructuras y en las
cimentaciones, o causando deslizamientos y otros movimientos.
La manera como se evalua la durabilidad en el laboratorio se explica en el siguiente
capítulo.
3. CRITERIOS DE CLASIFICACION
La finalidad de la clasificación de las rocas debe ser distribuirlas en grupos que posean
un comportamiento similar.
Pese a que la clasificación litológica basada en la textura y composición, tiene un
propósito científico ajeno a las necesidades del ingeniero, es de aceptación general que
la litología constituye una característica útil para clasificar las rocas en ingeniería, si se
usa de un modo conveniente y si se tienen en cuenta algunos aspectos complementarios.
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Según lo propuesto por D.U. Deere 2 el material rocoso puede clasificarse con base en la
Resistencia a la Compresión Inconfinada y el Módulo Relativo. ( Se remite el alumno a
la lectura del artículo de Deere).
1.- ROCAS IGNEAS INTRUSIVAS O PLUTÓNICAS ( EJEMPLO: GRANITOS,
GRANODIORITAS, DIORITAS, GABROS ETC).
a) Generalidades.
En general están integradas por cristales de tamaño grueso relativamente uniformes,
fuertemente entrabados (fábrica cristalina masiva), con porosidad de vacíos subesféricos
n p y de fisuras n f muy reducidas.
b) Resumen de características dominantes.
El fuerte entrabamiento de cristales relativamente rígidos trae como consecuencia una
porosidad de poros np muy reducida (puede variar de 0.5 a 1.5 en la roca fresca) y en
consecuencia alta resistencia y digidez. La roca se comporta elásticamente bajo carga,
pero si hay demasiadas fisuras, en la parte inicial de la curva esfuerzo-deformación
correspondiente, se puede presentar una ligera concavidad.
En el caso de rocas plutónicas moderadamente descompuestas, se mezclan cristales
fuertes (ej. Cuarzo) con cristales relativamente débiles (ej. Feldespato descompuesto).
Cuando estas rocas se someten a carga en un ensayo de compresión se puede presentar
deformación plástica antes de la falla y ésta se desarrolla de un modo progresivo.
c) Comportamiento general.
Las rocas ígneas intrusivas poseen una resistencia a la compresión generalmente alta (un
poco menor en las variedades de grano más basto) y un módulo relativo 3 medio. Su
comportamiento es elasto-plástico, principalmente en las variedades silíceas.
2.- Rocas Igneas Extrusivas.
a) Generalidades.
En general se consideran dos variedades: las piroclásticas, por lo general porosas y de
baja densidad y las masivas de alta densidad pero eventualmente porosas. El tamaño de
los cristales es más pequeño que en el caso de las rocas intrusivas- grano fino- y pueden
contener una proporción relativamente alta de vidrio.
b) Resumen de características dominantes:
b-1) Piroclásticas.
Bajo carga de falla se produce a través de las paredes entre los poros y a lo largo de
zonas débiles.
Si los poros son lo suficientemente espaciados las paredes son gruesas y si además
no hay fracturas, la resistencia es relativamente alta y su comportamiento de tipo
elástico.
Si las paredes son delgadas y además hay fracturas, la roca presenta baja resistencia
y su comportamiento es plástico.
2 STAGG-ZIENKIEWICZ, Mecánica de Rocas en la Ingeniería Práctica.Capítulo 1
(consideraciones geológicas, escrito por D. U Deere
3 Módulo relativo medio: relación entre el módulo elástico tangente en el 50% de su resistencia
y la resistencia a la compresión simple
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Si hay mezcla de minerales débiles con fuertes (principalmente en el caso de rocas
con poco cuarzo), en las rocas resistentes de esta clase se puede presentar una fase
plática antes de la falla.
b- 2) Masivas.
Debido al entrabamiento de cristales rígidos, la resistencia es alta a muy alta.
Estas rocas por lo general poseen baja porosidad a causa de lo cual se deforman
elásticamente; sin embargo, algunas variedades de basaltos y otras lavas pueden
comportarse plásticamente a causa de que desarrollan porosidades relativamente
altas en su proceso de formación.
En las variedades donde no se mezclan cristales débiles y fuertes, la falla es por lo
general de tipo frágil.
c) Comportamiento General.
Las rocas piroclásticas presentan una resistencia generalmente media a baja y un
comportamiento más bien plástico.
Las extrusivas masivas varían en su resistencia de media a muy alta, con un módulo
relativo medio. Estas variaciones son debidas más que todo a diferentes porosidades.
Por lo general su comportamiento esfuerzo-deformación es del tipo elástico, para las
variedades más comunes; basaltos, diabasas y andesitas.
ROCAS SEDIMENTARIAS CLÁSTICAS
a) Generalidades.
El comportamiento general de estas rocas en cuanto a sus propiedades físicas y
mecánicas varía enormemente, así como su carácter genético. Con sentido práctico
podemos considerar dos grupos: las rocas clásticas y las rocas químicas. En el primer
grupo se incluyen todas aquellas rocas integradas por granos, es decir pequeños
fragmentos minerales de tamaño y forma variada, generalmente unidos con algún
cemento mineral. Cuando los fragmentos son de tamaño arena, o más gruesos, la
calidad de la roca depende de la gradación y empaquetamiento ( lo cual se refleja en la
porosidad) y la proporción y calidad del material cementante. La calidad del cemento
decrece según sea este silíceo, calcáreo, ferruginoso o arcilloso.
Si los fragmentos son de tamaño limo o arcillas (lutitas) la calidad depende
fundamentalmente del grado de consolidación diagénetica. La resistencia de las
variedades poco consolidadas (limolita, lodolita y arcillolita) es un poco inferior,
respecto de las de las variedades más consolidadas (shale lodoso y shale arcilloso). Las
argilitas, de mayor consolidadción diagenética, se consideran rocas de transición al
metamorfismo.
b) Resumen de características dominantes de las rocas clásticas.
b-1- Clastos gruesos (areniscas, conglomerados).
Entre mejor gradación y empaquetamiento más denso, la roca es más resistente. Esta
característica se refleja en la porosidad la cual varía para las areniscas entre 2% y el
20%.
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La proporción y calidad del cemento influyen de manera tan importante como la
gradación y el empaquetamiento. Generalmente las rocas clásticas silíceas son las
más resistentes y rígidas y su calidad decrece un poco en el caso del cemento
cálcareo o ferruginoso y bastante en el caso de otros tipos de cemento.
b-2 ) Clastos finos (lutitas).
Al aumentar la fracción arcillosa en las rocas clásticas se acentúa su
comportamiento plástico.
Incremento en el contenido de arcilla, mica u otros minerales laminares producen
efectos direccionales en la resistencia y deformabilidad, aunque no tan acentuados
como en las rocas metamórficas tipo esquistos o filita, por ejemplo. Obviamente que
las lutitas tipo shale se cuentan dentro de las rocas con un comportamiento
anisotrópico relativamente importante.
Las lutitas mejor cementadas corresponden a las más durables en ingeniería
c) Comportamiento General.
Las areniscas cubren toda la gama de resistencias, desde muy baja para las de alta
porosidad y deficiente cemento, hasta muy alta para las cuarcitas de baja porosidad.
Las lutitas varían en su resistencia dependiendo de su edad y consecuentemente su
grado de consolidación. Las terciarias de baja consolidación poseen una resistencia que
varía de muy baja a baja, en tanto que las cretáceas y paleozóicas, de alta consolidación,
pueden tener una resistencia variable entre baja y media. Por su parte las argilitas
poseen por lo general resistencia media.
Las características de deformabilidad de las rocas clásticas son muy variables: las rocas
con mejor empaquetamiento, con más cantidad de cuarzo y mejor cementación-
consecuentemente menos porosas- tienen un comportamiento elástico o elasto-plástico,
en comparación con las de mineralogía heterogénea (minerales débiles y fuertes), mal
gradadas y más porosas, que tienen un comportamiento preferiblemente plástico. El
módulo relativo es generalmente de tipo medio a bajo para las areniscas y bajo para las
lutitas. Las calizas clásticas presentan una calidad ligeramente superior a las de las
areniscas, pero su módulo varía entre el elevado y medio. Su calidad puede desmejorar a
causa de la tendencia a la disolución.
ROCAS SEDIMENTARIAS QUÍMICAS
a) Generalidades.
Las calizas y las liditas, se forman a partir de precipitados químicos, con lo cual su
fábrica es de tipo cristalino (en este caso se refiere a las calizas de tipo cristalino). A
causa de su textura entrabada con efectos semejantes que en las rocas ígneas, la calidad
de estas rocas sedimentarias es más uniforme y ligeramente superior al de las rocas
clásticas de mejor calidad. Algunas liditas presentan porosidad relativamente alta
debido a lixiviación de fósiles, lo cual es muy frecuente. En este caso su calidad
desmejora.
En el caso de la sal y el yeso (evaporitas), si bien se trata de rocas cristalinas su
resistencia es baja y su fase plástica relativamente extensa, debido a que la sustancia
cristalina mineral es relativamente débil en comparación con el carbonato de alcio de las
calizas.
b) Resumen de características dominantes.
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Al disminuir los tamaños de los cristales se incrementa la resistencia.
La mejor calidad de esta roca sedimentaria se debe a la fábrica entrabada.
La disolución produce problemas de debilitamiento interno y disminución en la
calidad. Impurezas de arcillas u otros minerales producen el mismo efecto.
c) Comportamiento.
1- Las calizas por lo general poseen resistencia alta a muy alta (calizas cristalinas) y
presentan un comportamiento relativamente elástico y un módulo que varía entre
medio y elevado.
2- Las evaporitas presentan una resistencia baja y un módulo relativo medio. Se conoce
muy poco sobre el comportamiento mecánico de las liditas si bien su calidad puede
ser semejante a las de las calizas sólo que son más frágiles.
ROCAS METAMORFICAS
a) Generalidades.
Su comportamiento geomecánico es generalmente más uniforme en el caso de las
variedades masivas (cuarcita, neis, mármol) que en el caso de las variedades foliadas
(filitas y esquistos). Las rocas del primer grupo poseen una calidad semejante al de las
roas ígneas intrusivas en tanto que las del segundo grupo se asemejan un poco más a las
rocas sedimentarias, aunque dentro de un rango de calidad más estrecha y ligeramente
superior.
b) Resumen de las características dominantes.
Bajo moderado metamorfismo de rocas sedimentarias, mejora las características de
cementación de la roca original así como su rigidez. Especialmente en el caso del
bajo metamorfismo (pizarras, filitas, algunos mármoles, antracita, algunas
cuarcitas).
Moderado a alto metamorfismo produce la clase recristalización y minerales nuevos
dando lugar a foliación y bandeamiento ( algunas cuarcitas y mármoles, esquistos y
anfibolitas).
c) Comportamiento.
Las variedades masivas de alto grado de metamorfismo (cuarcitas y neis) poseen
resistencias que varían de alta a muy alta y módulo relativo medio, los mármoles en
general presentan resistencia media y módulo relativo elevado, a causa de su fragilidad.
Por su parte las rocas foliadas presentan una calidad variable: su resistencia varía de
muy baja a alta y su módulo relativo entre bajo y elevado, dependiendo de su grado de
metamorfismo y el defecto direccional. El estudiante puede analizar este último factor
un poco más detenidamente en la Tabla de Clasificación correspondiente.
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