Las investigaciones y estudios geotécnicos son un complemento de la geología y de la hidrogeología.
Su objetivo es conocer las características básicas del suelo, lo cual influirá en el comportamiento mecánico de la roca y de la tierra, el estado inicial de equilibrio de las tensiones naturales y los cambios en las cargas y fuerzas que se ejercerán en la estructura durante su construcción y explotación.
Para ello, se utilizan estudios geotécnicos que intentan cuantificar las características geomecánicas del suelo por medio de diferentes parámetros que dependen tanto de la microestructura como de la macroestructura.
Por ejemplo, el comportamiento mecánico de un macizo de roca dependerá no sólo de la composición y estructura mineralógica de la propia matriz rocosa, sino también de la presencia y características de las diferentes fallas, grietas y diaclasas que aparezcan en el macizo, debilitando su solidez en general y alterando su comportamiento a escala de la estructura subterránea.
El estudio geotécnico intentará ponderar los diferentes parámetros relacionados con la roca madre o matriz rocosa, y cuantificar el estado general del macizo a escala macroscópica.
Por otro lado, los estudios geotécnicos también intentan conocer las condiciones en las que se va a construir la estructura subterránea desde el punto de vista mecánico, a saber, las tensiones naturales locales del suelo, la presión del agua, si hay, la consolidación del suelo, etc.
Parámetros relacionados con la roca madre o matriz rocosa
El siguiente cuadro resume los diferentes parámetros geotécnicos relacionados con la roca madre o matriz rocosa, la información que proporcionan y los procedimientos que se suelen seguir para obtenerlos. También se pueden aplicar en suelos no rocosos. La lista no es exhaustiva, sino que representa los parámetros más importantes y más utilizados.
| Parámetro | Información | Procedimiento para obtenerlo |
|---|---|---|
| Módulo de elasticidad E | Deformación elástica | Ensayos de compresión |
| Poisson coefficient ν | Deformación elástica | Ensayos de compresión |
| Cohesión C | Resistencia | Ensayos de compresión triaxial |
| Ángulo de fricción φ | Resistencia | Ensayos de compresión triaxial |
| Resistencia a la compresión uniaxial UCS | Resistencia | Ensayos de compresión triaxial, relacionada con C y φ |
| Dilatancia ψ | Deformación plástica | Ensayos de compresión |
| Permeabilidad K | Permeabilidad de la roca o el suelo | Ensayos Lugeon, pozos, ensayos de laboratorio, etc |
Parámetros relacionados con el macizo de roca a la escala del proyecto
En el caso de las estructuras subterráneas que se construirán en suelos no rocosos, los parámetros obtenidos de pequeñas muestras de suelo se pueden extrapolar normalmente a la escala de la estructura y se puede suponer que representan correctamente el comportamiento del resto del macizo de suelo.
Se puede presuponer que los suelos son bastante homogéneos en su comportamiento, independientemente de la escala. Sin embargo, en el caso de las rocas, la presencia de discontinuidades, grietas, fracturas y diaclasas los hacen depender mucho de la escala. Por lo tanto, los resultados de las pruebas de comportamiento mecánico de una pequeña muestra de roca realizadas en el laboratorio difieren mucho del comportamiento del macizo de roca fracturada en su conjunto.
Por eso se han desarrollado sistemas de clasificación geomecánica, como el sistema RQD, RMR o Q, para cuantificar cómo se pueden extrapolar las propiedades de la roca de la matriz al resto del macizo, donde se va a construir la estructura subterránea.
Todas estas clasificaciones geomecánicas asignan una puntuación cuantitativa al macizo de roca en función del número y del tipo de fracturas, el estado de sus superficies, la presencia o no de agua, la orientación de las discontinuidades y, en algunos casos, la tensión del terreno.
A continuación se resumen las tres principales clasificaciones geomecánicas, con los principales parámetros o conceptos que tienen en cuenta:
Rock Mass Classification
RQD - El parámetro RQD (siglas inglesas de Rock Quality Designation, o índice de calidad de la roca) fue desarrollado por D. U. Deere y, en la actualidad, sirve como valor para la mayoría de las clasificaciones geomecánicas. Se basa en medir el porcentaje testigos de más de 100 mm de longitud que se han recuperado de una pieza.
RMR (Bienawski) - El sistema RMR (siglas inglesas de Rock Mass Rating, o calidad del macizo rocoso) fue desarrollado por Z. T. Bieniawski y consiste en evaluar una serie de parámetros mediante una tabla, que creó el propio Bieniawski, la cual asigna una puntuación en función del valor de cada parámetro. La suma de los puntos obtenidos es el valor total del índice RMR.
| Parámetros evaluados |
|---|
| Resistencia a la compresión uniaxial de la roca madre |
| Índice de calidad de la roca (RQD) |
| Separación de las discontinuidades |
| Estado de las discontinuidades |
| Groundwater conditions |
| Ajuste para compensar la orientación desfavorable de las diaclasas |
Q (Barton) - Tras estudiar un gran número de casos de excavaciones subterráneas, Barton ideó el índice Q, que se expresa con la siguiente fórmula: Q = (RQD/Jn) x (Jr/Ja) x (Jw/SRF)
Estos parámetros corresponden a los siguientes conceptos del macizo de roca:
| Parámetro del sistema Q | Rock Mass Condition |
|---|---|
| RQD | RQD |
| Jn | Número de diaclasas |
| Jr | Rugosidad de las diaclasas |
| Ja | Alteración de las diaclasas |
| Jw | Presencia de agua en las diaclasas |
| SRF | Stress reduction factor |
Según esta tabla, se obtiene un valor para cada uno de los parámetros y, a continuación, se calcula el índice cuantitativo Q utilizando la fórmula.
Parámetros relacionados con el estado del macizo de roca o las condiciones en los límites
También es muy importante conocer el estado de las tensiones naturales del terreno donde se va a construir la estructura subterránea.
Para ello, se pueden obtener aproximaciones mediante mapas de las presiones naturales, proyectos ya realizados en la zona o pruebas realizadas en el lugar de construcción.
También hay otros aspectos importantes, como las presiones piezométricas del agua subterránea, el riesgo de actividad sísmica de la zona, etc.
Enlaces:
- Clasificaciones geomecánicas (Adobe Pdf)
- Túneles y pozos en roca, cuerpo de ingenieros del ejército de EE. UU.: estudios geotécnicos (Adobe PDF)
- AFTES (es necesario registrarse, gratuitamente) Caracterización de los macizos de roca útil para diseñar y construir estructuras subterráneas
- AFTES (es necesario registrarse, gratuitamente) Elección de los parámetros geotécnicos útiles para diseñar, dimensionar y construir estructuras subterráneas