Rock Excavation Handbook: 2.1 Clasificación geológica de las rocas.

Las propiedades geologicas y mecánicas de las rocas están interrelacionadas; ambas deben ser tenidas en cuenta cuando planeamos hacer una excavación,  desde el diseño de cielos abiertos y canteras hasta la estimación del rendimiento de perforación y voladura. Las características de las rocas son determinadas primeramente por su origen, formación y composición mineral (Figura 2.1.-1).
Geologicamente hablando, la tierra está en un estado donde las rocas y minerales están contínuamente formándose y alterándose. Es conveniento dividir las rocas de la corteza terrestre en tres categorías basadas en su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas.
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MINERALES.
Todas las rocas consisten en un agregado de partículas minerales. La proporción de cada mineral en la roca, junto con la estructura de esos granos minerales, textura y origen sirve como una base para la clasificación geológica.
Un mineral puede ser definido como una substancia inorgánica que tiene unas propiedades físicas consistentes y una composición química fija. Con la excepción de algunas formas de carbón, azufre y unos pocos metales, todos los minerales son compuestos químicos que contienen dos o más elementos en proporciones fijas en peso. Algunos elementos están presentes en muchos minerales, los mas comunes son oxígeno y silício, mientras otros, incluyendo los preciosos y metales base, forman una insignificante proporción de las rocas dentro de la corteza terrestre.
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La forma en la cual se distribuyen en la corteza terrestre los elementos dominantes puede verse en la tabla 2.1.-1. Estos elementos, junto con otros, forman doce minerales comunes los cuales comprenden el 99% de la corteza terrestre. El resto de los más de mil minerales conocidos que son formadores de rocas representan menos del 1% de dicha corteza.
TABLA 2.1-1. Elementos químicos mayoritarios en la corteza terrestre.
           Elemento                     % En peso                      % En Volumen
Oxígeno (O)                         46.4                                 94.04
Silicio (Si)                             28.15                               0.88
Aluminio (Al)                        8.23                                 0.48
Hierro (Fe)                           5.63                                 0.49
Calcio (Ca)                          4.15                                 1.18
Sodio (Na)                          2.36                                  1.11
Potasio (K)                          2.09                                 1.49
Magnesio (Mg)                    2.33                                 0.33
Puede ser asumido, no obstante, que la mayoria, sino todas, las rocas que podemos encontrar en los procesos de minería y obra civil consisten en dos o más minerales; cada uno con su propias características físicas que pueden afectar a las propiedades ingenieriles de la roca en cuestión,  como la forma y dirección de la fractura. La dureza y la estructura cristalina usadas para definir los minerales componentes puede, en algunas ocasiones, determinar la reacción de la roca a solicitaciones externas, particularmente cuando hay cantidades elevadas de un mineral blando con marcadas propiedades de fractura, como la mica o la calcita; o bien cuando hay un mineral particularmente duro como el cuarzo.
ROCAS.
El magma es esencialmente un silicato fundido (600 a 1200 ºC) y es el padre de las rocas ígneas. El magma y la formación de rocas ígneas puede ser observados en regiones volcánicas. Usualmente, el magma se solidifica dentro de la corteza, y las rocas formadas son posteriormente expuestas en la superficie debido a la erosión o a movimientos de tierra, por lo tanto son clasificadas como plutónicas (intrusivas), hipoabisales o volcánicas (extrusivas o efusivas), dependiendo de la profundidad y gradiente de enfriamiento, los cuales afectan a la textura y tamaño de sus cristales.
Las rocas ígneas son a su vez subdivididas por su composición en ácidas, intermedias, básicas (máficas) y ultrabásicas (ultramáficas) dependiendo de la cantidad de sílice presente en las misma como se muestra en la tabla 2.1.-2
Puede observarse una alta dureza de los minerales constituyentes de estas rocas. El contenido de mica tiende a ser pequeño.
TABLA 2.1.-2 CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA DE LAS ROCAS IGNEAS MÁS COMÚNES.

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La sedimentación es el resultado de la interacción de la atmósfera y la hidrósfera en la corteza terrestre. La composición original de la corteza, rocas igneas, son más o menos fácilmente atacadas por el aire y el agua. Formadas en entornos de alta temperatura y ocasionalmente de alta presión, no permanecen estables bajo condiciones significativamente variables. Los silicatos varían considerablemente en su estabilidad química.  La susceptibilidad de ataque químico de los minerales formadores de rocas puede ser ordenado de la siguiente manera:

Olivino / Augita / Feldespato cálcico.
Hornblenda / Biotita / Feldespato sódico.
Feldespato potásico / Moscovita / Cuarzo.
El cuarzo es el único mineral en las rocas igneas que es altamente resistente a los procesos de meteorización. Todos los minerales tienen a ser alterados cuando son expuestos al oxígeno, ácido carbónico, y agua; formando nuevos minerales que son más estables en las nuevas condiciones. La roca alterada se desmorona bajo los esfuerzos mecánicos de la erosión y es transportada por el viento, el agua o el hielo y redepositada como sedimento o permanece en solución acuosa.
Las rocas sedimentarias pueden ser subdivididas en tres grupos principales dependiendo si se han formado mecánicamente, a partir de restos orgánicos, o de precipitados químicos.
TABLA 2.1.-3. CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS MÁS COMÚNES.
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En ingeniería, las rocas sedimentarias más importantes son las arenosas (arena), arcillosas (arcilla) y calcáreas (caliza). La típica roca arenosa consiste en fragmentos discretos de minerales, como cuarzo y feldespatos, unidos en una matriz de arcilla, calcita o cuarzo hidrotermal. Así, cuando una arenisca se rompe, las fracturas siguen la trayectoria de debilidad de la arcilla o el cemento calcáreo más fácilmente que a través de los granos minerales.  Una roca arcillosa como el esquisto consiste en diminutas partículas débilmente unidas y comprimidas en una matriz de caolinita. Las rocas calcáreas consisten en restos orgánicos o precipitados minerales, principalmente en forma de calcita.
El metamorfismo se define como el resultado de los procesos que, después de la meteorización, produce la recristalización de material de rocas igneas o sedimentarias. Durante el metamorfismo, la roca permanece esencialmente sólida; pero sí se produce fusión (magma) el metamorfismo deja paso al magmatismo. El metamorfismo se produce como consecuencia de pronunciados cambios de temperaratura (200 a 800 ºC), presión y entorno químico. Estos cambios afectan a la estabilidad física y química de los minerales constituyentes de esas rocas afectadas, resultando tras él un nuevo equilibrio de los mismos en otra forma. La composición de la roca cambia a minerales que son más estables bajo las nuevas condiciones, los minerales se ordenan mediante la formación de estructuras más acordes a esas condiciones. Así el metamorfismo resulta en la parcial o completa recristalización de la roca, con la producción de nuevas texturas y minerales.
El calor, la presión y los fluidos químicos activos son las fuerzas que conducen el metamorfismo. El calor es creado por el aumento de la profundidad del depósito o por la proximidad de magmas. Hay dos clases de presiones: la hidrostática (uniforme) la cual produce un cambio en el volumen, y la presión dirigida que produce una distorsión en la forma. La presión uniforma produce estructuras granulares no orientadas, mientras que la dirigida produce estructuras bandeadas o planos paralelos. La presión uniforme afecta al equilibrio químico debido a la disminución de volumen, como por ejemplo, con la formación de minerales más densos (menor volumen, más peso). La acción de los fluidos es crítica en el metamorfismo, incluso cuando no añade o quita ningún material de la roca, promueve reacciones por disolución y deposición.  Cuando los fluidos agregan o eliminan minerales, el proceso se denomina metasomatismo. En todo metamorfismo hay un grado de metasomatismo asociado. El agua es el principal fluido químicamente activo; además, normalmente contiene en solución CO2, ácido bórico, fluorhídrico, clorhídrico, y otras substancias de origen normalmente magmático.
El metamorfismo tiene dos clases: termal (o de contacto) y regional. El metamorfismo de contacto es creado alrededor de masas plutónicas. En este caso, la temperatura del metamorfismo depende principalmente de la proximidad del plutón, él cual, además,  puede contener fluidos activos que estimulen la recristalización de la roca. El metamorfismo regional, como bien indica el nombre, es desarrollado en grandes extensiones, incluso de miles de kilómetros cuadrados, en las partes más bajas de pliegues montañosos y en terreno Precámbrico. Tabla 2.1.-4.
La corteza terreste está hecha de un 95% de roca magmática, un 5% de sedimentaria, y una insignificante proporción de roca metamórfica. Sin embargo esto no hace un retrato preciso del tipo de roca que nos vamos a encontrar en un proyecto. Se asume que el espesor de la corteza está entre 30 y 50 km. Mayormente, los proyectos tienen lugar en los primeros kilómetros de la corteza, donde la mayor parte de las rocas son sedimentarias. Un trabajo en, o cerca, de la superficie debe a menudo encontrarse con roca sedimentaria o metamorfoseada. Además, un alto porcentaje de la roca sedimentaria es arcillosa, mientras la mayoría del resto son arenosas o calcáreas.
Las rocas arcillosas están comprendidas por dos tipos de esquistos: consolidados y cementados. Ambos son estrechamente laminados. Dicha formación es razonablemente fuerte cuando está seca, pero débil en forma húmeda; ésta última tiene una resistencia intermedia en la mayor parte de los casos, pero se deforma fácilmente bajo presión. Los problemas encontrados al excavar túneles o cimentar en este material son evidentes.
TABLA 2.1.-4 CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA DE LAS ROCA METAMÓRFICAS MÁS COMÚNES.
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DISCONTINUIDADES EN LA MASA ROCOSA.
Una masa rocosa, o macizo en adelante, es considerado como un material elástico y lineal en ausencia de discontinuidades. La mayoría de los macizos rocosos están fracturados hasta cierto punto, donde los planos de fractura representan un medio estructural no-contínuo dentro de un medio de otra manera contínuo. La estabilidad de los taludes y de las excavaciones subterráneas son dos áreas de la ingeniería geotécnica en las cuales el efecto de las propiedades de la roca intacta es menos dominante que la influencia de las discontinuidades.
La caracterización del macizo consiste en identificar el tipo de roca, la distribución y grado de fracturación, y el rango de los predominantes tipos de discontinuidades. Para un uso práctico, esta información debe ser precisamente estructurada por sistemas de clasificación geotécnicos especialmente diseñados para la predicción de la estabilidad estructural del macizo rocoso y el rendimiento de excavación del mismo. Figura 2.1.-3.
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Cuando dos o más fracturas están presentes en la masa de roca, un equivalente del mismo es la distancia de fractura media, basada en el area plana de fractura volumetrica:
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En el sistema de clasificación NTH para el rendimiento de perforación de túnel, los tipos de fracturas se agrupan en cuatro clases basadas en la fuerza de fractura (apertura , persistencia, rugosidad y ondulación, y material de relleno):
– Roca sistematicamente fracturada caracterizada por:
     – juntas orientadas palalelamente (clasificado como Sp)
     – fisuras orientadas paralelamente (clasificado como St)
     – foliación o planos de estratificación (clasificado como St)
– Masa de roca no fracturada (clasificado como St 0)
– Juntas simples bien definidas (clasificado como ESP)
– Zonas de cizallamiento: es necesario evaluar  los trabajos necesarios de sostenimiento en lugar de aumentar las tasas netas de excavación.
La combinación del tipo de fractura (o clasificación de fuerza de fractura), espaciamiento y orientación de planos de fractura respecto al eje del túnel forma la base del factor ks del macizo fracturado. El factor de fractura ks para fisuras y planos de foliación se muestra en la figura 2.1.-4.
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 Los ratios de avance de una tuneladora (TBM) son más o menos proporcionales al factor de fractura ks. Sin embargo, a diferencia de las máquinas perforadoras a sección completa (full face), las máquinas de perforación puntual (partial face) como la TM60 están equipadas con un sistema de control de perfil de corte que mantiene la herramienta (normalmente las picas de la piña, o cuchillas) en un valor preseleccionado. De esta manera el grado de fracturación no afecta al rendimiento neto de corte de la TM60 (a menos que el operador cambie el programa de autómata) lo cual resulta en unos esfuerzos sobre los cortadores reducidos cuando se excava roca fracturada.
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