Clase1_RocasDiscontinuidades

8/9/2019 Clase1_RocasDiscontinuidades

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CLASE N 1 DE TNELES

Universidad de Los AndesFacultad de IngenieraDepartamento de Vas

Geotecnia

Prof. Silvio Rojas

Mayo, 2009


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Rocas:

La fig. 1 presenta el ciclo de formacin de las rocas, donde se aprecia enforma general su origen y algunos factores que determinan su formacin.

Fig. 1.- Ciclo de formacin de las rocas.


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IGNEAS SEDIMENTARIA METAMORFICAS

INTRUSIVAS Granito CLSTICAS Conglomerado GneisTextura foliada

d > 2 mmSienita Arenisca Esquisto

Textura foliada0.2 mm< d < 2 mm

Diorita Limonita FilitaTextura foliadad < 0.2 mm

Gabro Lutita PizarraTextura foliadad < 0.2 mm

EXTRUSIVAS BASALTO NOCLASTICAS

Caliza Serpentina

PIEDRAPMEZ

Coquina CuarcitaTextura granuda

TRAQUITA Doloma MrmolTextura granuda

OBSIDIANA Marga

Ftanita

Rocas

piroclsticas:

Salen expulsadas violentamente por el volcn

F< 2 mm tobas de cenizasF > 2 mm redondeados (aglomerados volcnicos)F> 2 mm an ulosos brechas volcnicas

Tabla N 1.- Clasificacin de las rocas


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Sedimentarias de origen qumico:

Calizas:

Formada por conchas y esqueletos de animales y plantas

Absorben el carbonato de calcio (CaCO3) del agua de mar para formar suspartes duras

Se forman en aguas profundas

Coquina:

Es un tipo especial de caliza

Formada por conchas calcreas bien notables y mal cementadas.

Creta:

Otro tipo especial de caliza

Formada por conchas diminutas o fragmentos de concha, cementadas pormaterial calcreo, es una roca blanda, friable y porosa.

Doloma:

Resulta de remplazar el calcio Ca de una caliza por magnesio Mg.


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Marga:

Sedimentos marinos que consisten en arcilla y fragmentos finos de conchascalcreas, lo mismo que sedimentos que consisten en arcilla y CaCo3.

Ftanita:

Rocas calcreas con ndulos de silceo.

Metamrficas:Cuarcita:

a.- Formada por la cementacin de los granos de cuarzo de la arenisca pormateria silcea depositada dentro de la arenisca por circulacin de aguasubterrnea.

b.- Formada por metamorfismo, debido al cual se ha eliminado los espaciosporosos en la arenisca (consolidacin y reacomodo de los granos decuarzo).

Mrmoles:

Se han formado de calizas o dolomas.


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Tabla 2.- Relacin suelo roca:

Suelo Roca sedimentaria Roca metamorfica

Grava redondeadaGrava angular

ConglomeradoBrecha

Meta conglomerado

Arena Arenisca Cuarcita

LimoArcilla

LimonitaLutita

PizarraEsquisto

Filita

Barro calcreoFragmentos de conchas

Caliza Mrmol

Colores de los minerales:

Color claro: Blanco, rosado, rojo

Color intermedio: Grises

Color oscuro: Verde, negro


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Tabla 3.- Relacin entre mineral tamao de grano y color para las rocas igneas:

Minerales Grano grueso Grano fino Color

Cuarzo Granito Riolita Claro

Feldespato Diorita Andesita Intermedios

Piroxenos, anfiboles,olivino

Gabro Basalto Oscuros

gneas Metamrficas Sedimentarias

Estructuraspresentes Fallas, diaclasas,diques, pliegues,coladas de lavas.

Foliacin,esquistosidad,fallas, diaclasas,pliegues.

Estratificacin,diaclasas, fallas,pliegues.

Tabla 4.- Estructuras presentes en la roca


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Concepto de Rumbo-Buzamiento-Direccin de buzamiento:

La fig. 2 permite ilustrar el concepto de Rumbo (R), el cual se puede definircomo: ngulo que forma la lnea de interseccin (interseccin del planogeolgico con un plano horizontal) con la direccin Norte

Sur. Generalmente se mide desde la direccin Norte a la direccin queindica el rumbo de la lnea de interseccin. Por tanto el ngulo que define alRumbo vara de 0 a 90 NE 0 a 90 NW

NE: Norte Este NW: Norte - Oeste

Cuando R = 90 La direccin ser Este- Oeste y cuando R= 0 la direccin

ser Norte -Sur).

DireccinNorte-Sur

Fig. 2.- Rumbo deuna discontinuidad.


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El buzamiento () es el ngulo que forma la lnea de mxima pendiente delplano inclinado, con la proyeccin lnea de mxima pendiente en un planohorizontal. Su valor vara de 0 a 90.

Direccin de buzamiento (): Es el ngulo que forma la direccin N-S con laproyeccin de la lnea de mxima pendiente en el plano horizontal, y se mide

en sentido horario, variando su valor desde 0 hasta 360.

Fig. 2.- Rumbode unadiscontinuidad.


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En los esquemas de la fig. 4 se muestran distintas direcciones de la lnea quedetermina el rumbo, as como la proyeccin de la lnea de mxima pendiente. Observeque el ngulo que forma la proyeccin de la lnea de mxima pendiente con el rumboes 90 en todos los casos.

Note que en los casos (a) y (c), la direccin del rumbo es la misma, es decir la lneaque define el rumbo est en el cuadrante (N-W) y forma un ngulo de 30 con ladireccin Norte y se escribe as: R = N 30 W, sin embargo en el caso (a) el plano buzahacia el norte con un ngulo de 80 y se expresa como: = 80 N, y en el caso (b) elplano buza hacia el Sur con un ngulo de 30 y se escribe: = 80 S.

En el caso (b) la direccin delrumbo es hacia el Norte en elsentido Este y se expresa como:R = N 60 E. En este caso elbuzamiento es hacia el Norte yse expresa: = 80 S.

Fig. 4.- Representacin de

distintos rumbos ybuzamientos .


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En cuanto a la direccin de buzamiento (), se tiene que para los casos (a) y (c), ansiendo el rumbo el mismo, la direccin de buzamiento difiere. Para el caso (a) sepuede obtener como: = 90 R y para el caso (c ) se obtiene como: = 270 R.Para el caso (b) la direccin del buzamiento se obtiene como: = 360 R. En todos

los casos su valor depende del rumbo, pero su valor absoluto no es distinto.

Fig. 4.- Representacin dedistintos rumbos y

buzamientos .


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La fig. 5, muestra un esquema de la brjula con la cual se mide el rumbo y buzamientode planos definidos por las discontinuidades presentes en el macizo rocoso. La brjulaconsta de una graduacin horizontal y vertical, y de niveles de burbujas que permitemedir dichos ngulos en campo. En la fig 5 se aprecia las letras N S E W quedefine el plano horizontal mostrado en fig. 3 y 4, as como la aguja que se orienta

siempre hacia el Norte magntico de la tierra .

Se puede ver en la graduacin de la brjula, que las letras E y W estn intercambiadascomparndolas con el Este y Oeste magntico. Esta representacin de la brjula del E yW intercambiados, permite leer en la brjula el Rumbo de cualquier lnea en campo,indicndonos su verdadera orientacin.

Fig. 5.- Esquema de la brjula.


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Siga corrigiendo. A la aguja orientndose

hacia el Norte - Surmagntico.

La direccin Norte Sur(N-S) dentro del crculode la brjula se debeorientar en direccin dela lnea de inters.

Las letras que

representan el este y eloeste (E-W) dentro delcrculo de la brjulaest invertidas.

El rumbo de la direccinde la lnea de inters deacuerdo al sistema de

referencia magntico,es Nor-Este: Ejemplo: N50 E.

La lectura en el crculode la brjula dara ladireccin y el valor de

ese rumbo.

Observe:


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Discontinuidad en las rocas:

Trmino general para cualquier discontinuidad mecnica en un macizorocoso que tiene una resistencia a la traccin nula o muy baja. Es eltrmino colectivo para la mayora de las diaclasas, planos de estratificacindbiles, planos de esquistosidad dbiles , zonas dbiles y fallas.

Diaclasas sonrupturas en las

rocas sindesplazamientolateral (no existecizallamiento) ylas originanmovimientos

tectnicos(movimientos dela cortezaterrestre).


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por qu son importantes?

Limitan las dimensiones del bloque aprovechable.

El bloque ms grande ser de 10 x 20 x 30:

Frecuencia de diaclasas: Se expresa como el nmero de diaclasas pormetro lineal

10:1 5:1 0.5:1


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Las diaclasas pueden ser cerradas o abiertas.

Son vas de acceso a los agentes atmosfricos.

Diaclasas maestras: Cortan a travs de un nmero de capas ounidades de roca y pueden ser seguidas hasta en longitudes dedecenas o cientos de metros.

Diaclasas mayores: Tienen un orden de magnitud ms pequeo.Diaclasas menores: Son fracturas


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Diferentes rocas secomportan diferenteen un campo defuerzas.

Generalmentealgunos materialesprefieren unadeformacinplstica, otros se

rompen.

La foto muestra doscapas (calizas,cretcico).

Estrato msantiguo. Tiene uncomportamientoplstico

Calizas con uncomportamiento diferente.Roca

diaclasada

Ambas calizas estnen contacto


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Aparte de diaclasas tectnicas existen diaclasas de origen no-tectnico:

a) Fisuras de enfriamiento: Tienen su origen durante el enfriamiento de unaroca magmtica(Materiales o rocas calientes que ocupan ms espacio con

la misma cantidad de materia fra).b) Grietas de desecacin: Durante la desecacin de un barro o lodo bajocondiciones atmosfericas hay una disminucin del espacio ocupado y lasuperficie se rompe en polgonos.

c) Fisuras de tensin gravitacional: Sobre estratos inclinados se puede

observar bajo algunas condiciones un deslizamiento de las masas rocosashacia abajo. Al comienzo de este fenmeno se abren grietas paralelas altalud.


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Fallas:

Una falla geolgica, es una discontinuidad que se forma en las rocassuperficiales de la Tierra (hasta unos 200 km de profundidad) por fractura,cuando las fuerzas tectnicas, superan la resistencia de las rocas. La zona

de ruptura tiene una superficie generalmente bien definida denominadaplano de falla y su formacin va acompaada de un deslizamiento de lasrocas tangencial a este plano. FRACTURAS EN LAS ROCAS CONDESPLAZAMIENTO.

Con desplazamiento entre las Placa

Norteamericana y la Placa del Pacfico.Este sistema tiene una longitud deaproximadamente 1.287 km y corta atravs de California, Estados Unidos, yde Baja California en Mxico. El sistemaest compuesto de numerosas fallas o

segmentos.


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Elementos de una falla

Plano de falla: Plano o superficie a lo largo de la cual se desplazan losbloques que se separan en la falla. Con frecuencia el plano de falla

presenta estras, que se originan por el rozamiento de los dos bloques.

Labiohundido:Tambin

llamadoBloque Inferior,es el bloqueque queda pordebajo delplano de falla.

Labio levantado: Tambin llamadoBloque Superior, es el bloque quequeda por encima del plano de falla.

Bloque Superior Bloque Inferior


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Fuerza decompresinhorizontalpredominante.

Tipos de falla:

I. Clasificacin segn la naturaleza del movimiento

Falla inversa. Este tipo de fallas se genera por compresin horizontal. El

movimiento es preferentemente horizontal y el plano de falla tienetpicamente un ngulo de 30 grados respecto a la horizontal. El bloque detecho se encuentra sobre el bloque de piso. Cuando las fallas inversaspresentan un buzamiento inferior a 45, estas pasan a tomar el nombre decabalgamiento. Labio superior ha ascendido respecto al labio inferior.

SR. El bloque que se mueve est dellado del plano de falla que forma unngulo mayor a 90 con la horizontal.Si el bloque desplazado se ubica por

arriba del bloque complementario, lafalla es inversa.


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En la Regin Atacama (Chile) se puede detectar altas cantidades de fallas a causade la ubicacin geotectnica de la regin y del pas.

Foto : Sector Qda. Carrizalillo, Qda Descubridora. Formacin Cerrillos (inferior).

Desplazamiento de estratos (rocas clsticas y volcnicas). Falla inversa conalrededor de 10 metros de desplazamiento


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La falla (Falla inversa) en

este sector tiene un rumbo

este - oeste.

Foto W. Griem (2002)


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Falla normal. Este tipo de fallas se generan por tensin horizontal.El movimiento es predominantemente vertical respecto al plano defalla, el cual tpicamente tiene un ngulo de 60 grados respecto a lahorizontal.

SR. La componente horizontal delesfuerzo de corte en el plano de falla, esa tensin, y debe ser mayor que lacomponente horizontal a compresin delesfuerzo normal en dicho plano. De esta

manera, la falla es por esfuerzos atensin.

bloque detecho haciaabajo

bloquede piso

SR. El bloque que se mueve est del ladodel plano de falla que forma un ngulomayor a 90 con la horizontal.Si el bloque desplazado se ubica pordebajo del bloque complementario, lafalla es normal.


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Fallas normales son un producto de esfuerzos a tensin, fallas inversasun producto de esfuerzos a compresin.

Idea para diferenciar entre fallanormal e inversa: En una fallanormal un sondeo vertical noregistrara el estrato desplazado dereferencia, dos veces. Una fallainversa produce una "duplicacin":Se puede definir un sondeo verticalpara encontrar el mismo piso (otecho) de referencia dos veces.

Para

diferenciar sila falla esnormal oinversa,podemoshacer uso

de :y


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La palabra antitetica indica que la falla y los estratos se inclinan hacia losdireccines opuestos. Homotetica significa, que los estratos y la fallatienen la misma direccin de inclinacin.


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II.- Segn la relacin de capas cortadas

a.- De rumbo o isorumbadas:Rumbo de la falla paralelo alrumbo de las capas

b.- De buzamiento u ortogonales:Rumbo de la falla perpendicular a

rumbo de las capas


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c.- Oblicuas: Rumbo de la falla forma un ngulo diferente a 0 y 90 , con elrumbo de las capas.

III.- Segn la magnitud debuzamiento

a.- Buzamiento altos () > 45

b.- Buzamientos bajos () < 45


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IV.- Segn la direccin del movimiento

a.- Con desplazamiento de rumbo

La imagen corresponde a lafamosa Falla de San Andrss.En este caso decimos que esde rumbo (u horizontal) porquelos bloques no se desplazanvertical sino horizontalmente,mantenindose al mismo nivel.

En este caso es un ro el que revela lafalla. El ro viene del lado este (parteinferior derecha), y luego corre a lo largode la lnea de falla por varios cientos demetros, para finalmente continuar surumbo hacia el lado oeste (parte media

izquierda).


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Existen principalmente dos tipos de fallas con un desplazamientohorizontal: Fallas con un sentido del movimiento sinistral (contra reloj) yfallas con un sentido del desplazamiento dextral (sentido del reloj).


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Se observadoblez pero nofractura. Roca de

comportamientoplstico o la rocatodava noestaba bienconsolidadacuando ocurri elmovimiento

Otra posibilidad es que las rocas como stas, compuestas por material muyfino (limoso a arcilloso) no se comportan de igual forma que una roca de

material grueso, sino que responden a los esfuerzos de una forma mselstica, formando pliegues en vez de fracturas.


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Brechas de falla:

Brechas de fallas permiten tambin un reconocimiento bien seguro de unafalla. Las brechas de falla rellenan espacios entre 5 cms hasta algunosmetros. Algunas veces son semi - blanda, pero tambin pueden ser

compactadas.

Los clastos son angulares, monomictos y de diferentes tamaos.

Fotos: Wolfgang Griem (2002)
http://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap05b-2.htmhttp://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap05b-2.htm


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Algunas veces las rocas en la zona de falla se rompen y se quiebran, paraformar una brecha tectnica o brecha de falla. Brechas de fallasnormalmente muestran una dureza menor que las rocas no afectadas. Poreso morfolgicamente una brecha de falla se ve como depresin.


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Estras de falla:

Una de los indicadores ms confiables de detectar una falla tectnica enterreno son las estras, que se forman a causa del movimiento relativa enlas rocas.

Sector Minaescuela de

laUniversidadde Atacama(2002)


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Las fallas muchas veces no afloran a la superficie porque la zona de falla esms blanda que las rocas alrededores. La erosin entonces afecta lossectores de la falla ms que las otras partes de la zona. La zona de falla seve como un valle con un relleno de rocas sueltas (como arena y gravas)

cuales cubren el fondo del valle.


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Desarollo de un Graben Tectnico

Un graben tectnico (fosa tectnica) tiene su origen a fuerzasextensionales, cuales producen dos fallas paralelas con un sector central,que se hunde. Casi nunca en la naturaleza se encuentra estedesplazamento en la morfologa, porque la erosin rapidamente va adestruir este diferencia de niveles: Significa la erosin afecta mas fuertelos flancos elevados y la fosa se rellenar rapidamente con depsitosaluviales.


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Pliegues:

Plegamiento es un productode una deformacin plstica,es decir una deformacin sinfracturamiento.

Las dimensiones pueden seren milmetros hastakilmetros.

Las fuerzas provocan una deformacin plstica no reversible.Esto tipo de deformacin ocurre en algunas tipos rocas principalmentedebido al metamorfismo.


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En las rocas sedimentarias, los elementos de carcter horizontal como losestratos quedan curvados y en las rocas metamrficas la esquistosidad quedacurvada.

Anticlinal

Los pliegues se originan poresfuerzos de compresinsobre las rocas que no llegana romperlas


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Fuerzas verticales, comoresultado del levantamientodebido al fenmeno desubduccinn, en la que se

levantan las cordillerass orelieves de plegamiento.

Fuerzas laterales,originados por lapropia interaccinde las placasa(convergencia)


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Eje del Pliegue

Con rumbo paralelo a la estructura. El eje puede ser inclinado. (En elejemplo abajo se ve horizontal). Plano Axial contiene al eje del pliegue

La Charnelade un pliegue es el punto ms curvado ("La curva").La crestael punto ms elevado. Muchas veces los dos marcan al mismopunto.

Declive: ejeinclinado


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Sector El Escorial /


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Sector El Escorial /Qda. Paipote,III.

Regin / Chile(FotoW.Griem 1999,2005)
http://www.geovirtual.cl/Museovirtual/tur900.htmhttp://www.geovirtual.cl/Museovirtual/tur900.htm


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Sinclinal

a) Su eje es de smetra

b)los dos lados del sinclinal muestran direcciones (de inclinacin) diferentes

c) los estratos se inclinan siempre hacia el nucleo.d) en el centro la pendiente es pequea o cero (estratos horizontales)e) del centro hacia los flancos la pendiente aumenta.f) en el centro (nucleo) afloran los estratos ms jvenes en los flancos los msantiguos.


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El mismo sector, un pequeo sinclinal forma parte del gran pliegue

Foto en grandeFoto:Sector El Escorial en la Quebrada Paipote, Regin Atacama, Chile: Un grananticlinorioen calizas y margas jursicas. (Foto W. Griem; 2005)
http://www.geovirtual.cl/MVgeo/EscorialPliegue6108gr.jpghttp://www.geovirtual.cl/Geoestructural/gestr05.htmhttp://www.geovirtual.cl/Geoestructural/gestr05.htmhttp://www.geovirtual.cl/MVgeo/EscorialPliegue6108gr.jpg


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Los estratos ms blandosse erosionan ms rpidos.

Por tanto los valles yquebradas se forman a lolargo de ellos.


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Otro ejemplo del plegamiento en rocas metamrficas de la cordillera de la costa en laRegin Atacama (Chile).

Los esquistosmuestran un fuerte plegamiento - el eje en este ejemplo es casi

horizontal (lpiz en el centro - abajo)Foto:Pliegues en rocas metamrficas- Cordillera de la costa entre Flamenco yChaaral; Foto W. Griem (2005; K7853)Foto en grande
http://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap06c.htmhttp://www.geovirtual.cl/MVgeo/041Esquistos02.htmhttp://www.geovirtual.cl/MVgeo/PliegueCorCosta7853gr.jpghttp://www.geovirtual.cl/MVgeo/PliegueCorCosta7853gr.jpghttp://www.geovirtual.cl/MVgeo/041Esquistos02.htmhttp://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap06c.htm


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Diques:

Diques son estructuras tabulares de origen magmtico. Las rocas de diquespertenecen al grupo de rocas intrsivas o hipabisales.

Edad menor que en la roca donde encajan

Pueden llegar hasta alturas de 200 m, pero lo normal es 0.5m a 6 m.

tienen un origen magmtico intrusivo (subvolcanico o hipabisal)

Diques sirven como testigo de una fase tectnica expansiva. Pero

tambien se incrustan en una forma paralela de estratos (s el campotectnico es ermite . Estos di ues se llama sills.


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Autoctono: Rocas que se formaron en el lugar mismo.


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Autoctono: Rocas que se formaron en el lugar mismo.

Aloctono : Rocas que se formaron en otros sectores, y por fuerzas tectnicas sedesplazaron. Ttambien se puede llamar manto tectnico (nunca solamente manto!).


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Cronologa de estructuras geolgicas:

Estructuras tectnicas como fallas, diaclasas y diques marcan edades(relativos) de su origen. El principio es muy simple:1. Cada estructura tectnica es ms joven que la la roca donde encaja.Es decir: las fallas, diaclasas, vetas, y diques en una roca siempre tienen unaedad menor como la roca.2. Una estructura tectnica joven puede cortar una estructura antiagua.Es decir: la genesis de un elemento tectnico afecta a las estructurastectnicas antiguas.


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F t l i d l di ti id d


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Factores relacionados con las discontinuidades:

1.- Orientacin (rumbo y buzamiento)

2.- Espaciamiento (inverso de la frecuencia)

3.- Persistencia: Es un factor difcil de medir y est referido a lacontinuidad del la discontinuidad en el macizo.

Si una diaclasa no es 100 % persistente,difcilmente la falla ocurrir a travs de eseplano.

4.- Abertura: ancho de la fractura


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5.- Relleno: El relleno dentro de las discontinuidades, puede ser arcilla, arena,o mezcla de varios tipos de suelos. La resistencia de la discontinuidad estardeterminada por el tipo de suelo de relleno.

6.- Forma de la discontinuidad y rugosidad.

La forma puede ser: Plana, ondulada, escalonada.

La rugosidad, est asociada a la friccin.7.- RQD: Roca Quality Design (Indice de la calidad de la roca)

100._

10__

rotadaLongtitud

cmncleosdeLongitudRQD

100._

__Re%

rotadaLongitud

recuperadoncleoLongitudcuperacin

Ejemplo:


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j p

Dimetro Mnimo para el RQD es de 50 mm.


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Rocas sedimentarias:


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Rocas sedimentarias:

Rocas Igneas:


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Rocas Igneas:

Rocas metamrficas:

Tneles:


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e es

Eje de portalesPerpendicular al eje delos tneles.

Buzamiento de los portales definidos por la pendiente del terrenonatural

Norte magntico


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Rumbo del tnel

Rumbo del portal

Rumbo del portal

g


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Evaluar la estabilidad de los portales es evaluara la estabilidad del terrenonatural.

Si es inestable o factores de seguridad muy bajos, entonces se debe anclar.

Para la seguridad de los hastales y techo: Concreto proyectado, pernos y costillas

Ubicacin del tnel respecto a


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Ubicacin del tnel respecto alas capas:

Eje del tnel paralelo al eje del anticlinal.

Ambos hastales son cinemticamenteestables.

Rumbos de las capas perpendiculares alrumbo de los portales.

Rumbo de las capas paralelo al eje del tnel.

Se debe evitar construir el tnelparalelo al eje del anticlinal.

Siempre existir agua en el tnelAumentar la permeabilidad.

(permeabilidad secundaria: Flujo atravs de discontinuidades y grietas)


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No hay problemas porfiltraciones, si la capaimpermeable est sin fisuras.

Eje tnel paralelo al eje del sinclinal

Rumbo de capas paralelo al eje del tnel

Rumbo de capas perpendicular al rumbo deportales.

Ambos hastales son cinematicamente inestables.

Posible zonas de grietas en la zona ms baja y demenor resistencia del sinclinal.

Norma:


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Norma:

No orientar l tnel paralelo a ejes de anticlinales o sinclinales.

Tnel ubicado en suelo estratificado con capashorizontales (infinitos rumbos para las capas)

Los hastales son cinemticamente estables.

El problema puede ser fallas flexulares de algunosestratos dbiles.

Otro problema es el hacer el avance con lapresencia de distintos materiales.

Rumbo del tnel perpendicular a rumbo de las capas

Rumbo de las capas paralelo al rumbo de los portales.

Portal sur cinematicamente inestable.

Portal norte cinematicamente estable aunque puedenexistir problemas de volcamientos de capas.

Frente de excavacin del sur cinematicamente inestable

Frente de excavacin del norte cinematicamente estable

Hastales estables.

Problemas de avance en distintos materiales.


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Rumbo del tnel no coincide con rumbo de capas.

Hastial con frente de exposicin al oeste es cinematicamente inestable.

Hastial con frente de exposicin al este cinematicamente estable.

Portal del sur cinematicamente inestable.

Portal del norte cinematicamente estable. Pueden existir problemas devolcamiento.

Frente de excavacin del sur puede tener problemas de deslizamientos decapas.


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Tiene declive


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Tiene declive

Caso 1:

Anticlinal (declivehorizontal)

Hastales, frente deexcavacin, portales,son: cinematicamenteestables.

Caso 2:

Portales y frentes deexcavacin puedentener problemas devolcamiento. Pero soncinematicamente

estables.La presin en el tneldisminuye en lasentradas e incrementaen el centro.

Caso 3:Las mayores presiones en el tnel estn en la entrada ydisminuyen en el centro

Antes de llegar al plano del eje del tnel, el hastial confrente de disposicin al oeste es cinematicamenteinestable. Luego el hastial con frente de exposicin al estees C.I

Caso 1:


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Tiene declive

Caso 1:

Ayuda aliviar laspresiones en elrevestimiento.

Caso 4:

Ubicacin del tnel nofavorece la presinsobre el

revestimiento.Hastales C.I

Frente de excavacindel sur C.I


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Caso 1:

La presin vertical sobre el revestimiento tiende a aliviar.

El agua tiende a escurrir hacia los lados.

En esa zona de ubicacin los estratos superiores pueden estar agrietados.

Caso 2:

La presin sobre el revestimiento tiende a aumentar.

El agua tiende a escurrir hacia los tneles.

Pueden existir grietas en la parte ms curvada del sinclinal.

Caso 3:

El tnel se ubica en uno de los flancos del anticlinal.

Tneles en ladera:


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Estratificacin Favorable.

Si la roca es resistente la ubicacin del tnel esfavorable y el tnel ser estable.

Estratificacin es desfavorable para la ubicacin deltnel. Buzamiento en el sentido de la ladera.

Construccin inestable.

Estratificacin favorable.


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Buzamiento de capas contrario a la inclinacin de laladera.

Si la roca es poco meteorizada el tnel es estable.

Condicin ideal para ubicar el tnel.

Se observa una serie de fisuras en la roca.

Probablemente la roca est fuertementemeteorizada.

Condicin muy desfavorable para ubicar el

tnel.


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Buzamientohorizontal

Buzamientohacia el sur

Buzamientovertical

En los tres casos el revestimiento experimenta presiones verticales ms o menosuniforme.

Buzamientohacia el oeste

Buzamientovertical

Buzamiento hacia eleste afectando el frentede excavacin.

Caso 4: Concentracin de esfuerzos en el hastial del este.

Caso 5: Concentracin de esfuerzos en el techo.

Caso 6: Concentracin de esfuerzos en parte del techo y hastial del oeste.


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Caso 1: Caso ms desfavorable para su ubicacin

Caso 2: Ubicacin ms favorable para el tnel

Caso 3: Ms favorable que el caso 1

Caso 4: Ms favorable que el caso 1

Caso 5: Favorable como el caso 2

Caso 6: Ms desfavorable que el caso 4

Comentarios:


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Sea la falla activa o inactiva, en la zona fallada el terreno suele estarfracturado y ser inestable. Se pueden encontrar fuertes caudalescomo elcaso de un sinclinal.

Tambin algunas veces, el espacio entre los labios de la falla, est rellenode roca triturada del tamao de granos de arena, que tiene la tendencia afluir en el tnel. Si el tnel est emplazado por debajo del NF, el tnelpuede ser invadido por una especie de suspensin de arena.

Condiciones hidrogeolgicas


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Caso 3: Si existe filtraciones a travs de la arenisca,el delgado espesor de lutita en techo puede sufrirfiltraciones.

Caso 1: Si la roca es sana las filtraciones sern pequeashacia el tnel. La simbologa de la roca es de caliza.

Caso 2: Alternancia de estratos permeables (arenisca) eimpermeables. Si existe circulacin de aguas a travs dearenisca altamente meteorizadas, puede ser una condicinpeligrosa, cuando el frente de excavacin alcance esa situacin.

Caso 4: A travs de la s betas en la roca, pueden circularflujos de agua.


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AreniscaLutita

Presin del agua en la arenisca,lavo la lutita y luego dreno laarenisca

Modificacin del alineamiento o rasante del tnel para evitar zonas derocas dbiles


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rocas dbiles

Roca dbil o

suelo

Roca dbil osuelo


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Caso 1: Apoyo de presa en caliza. Filtraciones a travs de la renisca

Caso 2: Apoyo de presa en roca dbil y filtraciones a travs de la arenisca

Caso 3: Presa fundada en suelo o roca dbil.

Eje de presa


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Caso 1:

Estribos cinematicamente estables

Filtraciones a travs de los estratos de arenisca

Capas con infinitos rumbos

Caso 2:Eje de la presa paralelo al rumbo de capas

Estribos cinematicamente estables

Filtraciones a travs de la arenisca

Condicin favorable al deslizamiento


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Condicin ms desfavorable para una presa enarco.

Filtraciones a travs de la arenisca


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Caso 4:Puede existir volcamiento por empuje del agua

Eje de presa paralelo al rumbo de capas

La lutita puede evitar las filtraciones (es una barrera)

Estribos estables

Caso 5:

Mayor seguridad que el caso 4

Eje de presa perpendicular al rumbo de capas

No existe ninguna capa impermeable que evite filtraciones


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Filtraciones en el estribo izquierdo

Estribo izquierdo cinematicamente inestable.

Estribo derecho C.E


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Posibles funciones que cumplen los sostenimientos:3 - Evitar


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1.- Evitar cadas debloques de roca deltecho o pared

2.- Sostener elpeso de rocacondeformacionesexcesivasalrededor deltnel.

Rocainestable

Roca autoestable

3. Evitardesplazamientosexcesivos delpermetro

4.- El estrato decaliza se trasformaen sostenimiento delos anclajes

Teoras empricas que determinar la cargas sobre el sostenimientode los tneles:


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de los tneles:

Teora de Ritter (1979):

Presin actuante sobre el techo de un

tnel independiente de la profundidad.La carga total viene dado por elvolumen comprendido en la parbola.

La carga total la disminuye laresistencia a la traccin (cohesin) cque acta perpendicular a la superficie

de la parbola.

C

C

BBP

48

2

C

BHp

16

2

P: Carga total

B: Ancho del tnel

C: Cohesin

Hp: Altura de la parbola

: Peso unitario delterreno.

Fuerzas cohesivas que disminuyenla carga sobre el techo.

Teora de Engesser (1882):Cpula formada por un arco de


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Cpula formada por un arco decrculo que delimita el sueloactuante en el sostenimiento.

2cot245tan6

tan 2

anbxv

BxHb t

245tan2

hxHp

tan25.0 bh

v : Esfuerzo vertical sobre el sostenimiento

x: Parmetro emprico

Ht: Altura del tnel

: Angulo de friccin

Hp: Altura de carga

Teora de Willmann (1911):Masa rocosa sujeto a deformaciones


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elsticas debido a las cargas decompresin que el han transmitido losestratos superiores durante el procesode formacin

La energa acumulada en ese material seliberar debido a la abertura.

En la zona alrededorlas tensiones internasse reducen, comotambin la cohesin,quedando el materialincoherente sujeto ala gravedad

Esa zona afectada, seconsidera aislado y es loque produce el empujede la montaa sobre el

sostenimiento.


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B

Semi elipse


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Teora de Bierbaumer (1913)

El t i i t d


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El sostenimiento es cargadopor un volumen de terrenodelimitado por una parbola.

HyHp

245tan2

245tantan

1

2

HtB

H

y

Hp es funcin de lacobertura del tnel.

y: Parmetro relacionadocon la cobertura.

Coberturadel tnel

Teora de terzaghi (1925 - 1946): Efecto de arqueo


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La cedencia de una ranura puedeasimilarse a la cedencia del techo


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asimilarse a la cedencia del techode un tnel, por el efecto de lascargas actuantes sobre l.

simula las condiciones desoporte no rgido en lasparedes verticales del tnel.Para ello consider cuasde deslizamientos que semueven hacia abajo y haciael vaco.

Si el techo se deja sin soporte (lo queequivale a dejar la ranura abierta) se

llegar a regenerar la presin sobre l,por lo menos parcialmente; seformarn cuas de materialdesprendido que se cae y que vansiendo mayores segn el tiempo quepasa.


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Considera la teora del efecto de arco

Trata la distribucin de esfuerzos en un soportehorizontal en un medio arenoso de desciende hacia eltecho del tnel.

Medio arenoso que desciendehacia el techo

Ensayos dearqueamiento,determin que el

descenso del soportehorizontal, no afectael estado deesfuerzos en laarena ms all deuna altura de 5B porencima del soporte

Techo deltnel

Teoras en que se supone que las secciones verticales bd y ca, que pasan porl t d l f j d d i fi i d d li i t l


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los extremos de la faja de cedencia son superficies de deslizamiento y que lapresin sobre la frontera cedente es igual a la diferencia entre el peso total de lamasa de arena colocada sobre esa frontera y la resistencia friccionantedesarrollada a lo largo de las superficies de fluencia.

Superficies dedeslizamientos

Frontera cedente

Presin sobre la fronteracedente =

Peso total de la masa de

arena colocada sobre esa

frontera menosresistencia friccionantedesarrollada a lo largo delas superficies de fluencia.


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dzvKdzcvBvdvBdzB tan22222

B

c

B

Kv

dz

vd

tan

CdzeQev

dzPdzP tan B

KP

B

cQ

Cdze

cev B

KzB

Kz

tantan


110/118

B

tan

tan

BKzeCK

B

cB

v

si z=0 v = q, por tanto:

BzK

B

zK

eqeK

B

cB

v

tantan

1tan

Si el suelo es puramente friccionante, resulta:

B

zKB

zKeqe

K

Bv

tantan1

tan

si q=0

B

zKe

K

Bv

tan1

tan

Cuando z tiende a infinito:

tan

K

Bv Ec 11


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la profundidad a lo largo dela cual no existen


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Masa de arena porencima de z2actuar como unasobre carga

Bz

KB

zK

ezeK

B

v

22 tan

1

tan

1tan

12

esfuerzos cortantes en lassuperficies verticales dedeslizamiento

q = .z1

Observaciones respecto a las ecuaciones:

Si el estrato de arena es de gran espesor


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Si el estrato de arena es de gran espesor

Si = 40 y K =1, z1 = 4B, la presin en z1 varia linealmente en esaprofundidad, pero por debajo de ella la presin variar segn la ec. 12 y disminuyecuando la profundidad incrementa acercndose al valor de la ec. 11.

tan K

B

v (11)

La teora indica que a una profundidad de ms de 8B, la influencia del peso de laarena en el espesor z1 ya es despreciable, pues a tal profundidad el valor de v ya seacerca al valor constante de v.

A una elevacin de ms de 4B 6B sobre el centro de la zona cedente, lapresin sobre tal zona ya no se ve influenciada por el estado de esfuerzosprevalecientes en las capas superiores de la arena.

BzK

BzK

ezeK

Bv

22 tan

1

tan

1tan

Presinpor debajode Z1

esfuerzo sobre la frontera cedente

Explic de tal manera como la anchura efectiva del terreno que

d i d l t (B+Ht)


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desciende con el soporte, resulta igual (B+Ht).

La carga vertical sobre el soporte del techo del tnel,terzaghi indica que depende de:

De las deformaciones permitidas

por el soporte al terrenocontenido dentro de la zonaarqueada.

Terzaghi, cuantifica el valor deHp para nueve clases de roca.

Mtodo de Protodyakonov:


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Teora fundamentada enel efecto de arco.

La carga actuante sobreel tnel est contenidadentro de una parbola.

El terreno externo a laparbola se autosostienegracias al desarrollo del

efecto del arco.

3

2_

HpbparabolaArea

f

bHp

2

f

bv

3

245tan2

HtBb

b

Presin vertical sobre el techo.

Grado de

resistenciaTipo de roca o suelo ton/m2 c kg/cm2 F


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Muy Alto Granitos masivos,cuarcitas o basaltossanos y, en general, rocas

duras, sanas y muyresistentes.

2.80 a 3 2000 20

Muy alto Granitos slidos, prfidoscuarzosos, pizarrassilicosas, areniscas ycalizas altamenteresistentes.

2.60 a 2.70 1500 15

Alto Granito y formaciones

similares, Caliza yarenisca muy resistente,conglomerados muyresistentes.

2.50 a 2.60 1000 10

Alto Caliza, granitometeorizado, areniscaslida, mrmoles, piritas.

2.50 800 8

Moderadamente alto

Arenisca normales. 2.40 600 6

Moderadamente alto

Pizarras. 2.30 500 5

Grado deresistencia

Tipo de roca o suelo ton/m2 c kg/cm2 F

Medio Lutitas Arenisca y calizas 2 40 a 2 80 400 4


118/118

Medio Lutitas. Arenisca y calizasde baja resistencia.Conglomerados no muyduros.

2.40 a 2.80 400 4

Medio Esquisto y pizarras.Mrmol denso. 2.40 a 2.80 300 3

Moderadamente bajo

Esquisto fracturado, Calizafracturada. Areniscas enbloques, grava cementada.Suelo duro.

2.20 a 2.60 200150

21.5

Moderadament

e bajo

Gravas. Lutitas y pizarras

fragmentadas. Depsitosde gravas densas. Arcillasduras.

2 - 1.5

Bajo Arcilla firme. Suelosarcillosos.

1.7 a 2 - 1

Bajo Loes. Formaciones dearena y grava. Suelos

arenosos arcillosos o limoarcillosos.

1.7 a 2 - 0.8

Suelos Suelos con vegetacin.Turbas. Arenas hmedas.

1.6 a 1.9 - 0.6

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