LA RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO

De cara a la excavación de una obra subterránea, como puede ser una vivienda troglodita, las propiedades de la roca matriz pueden jugar un importante papel en la aptitud de dicha vivienda para conservarse el tiempo, pues, junto con otras propiedades, hemos visto que tiene una gran incidencia en la susceptibilidad a la meteorización. Pero no cabe duda de que el concepto de macizo rocoso tiene también una gran importancia: de hecho, podemos definir el macizo rocoso como la suma de una roca matriz y de las discontinuidades que la compartimentan, y son éstas en muchos casos las que gobiernan las masas de roca en las que se insertan las excavaciones subterráneas. La resistencia del

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macizo rocoso puede obtenerse mediante diversos criterios, siendo los más habituales los

de rotura de Hoek y Brown y el de Mohr – Coulomb90.

Las clasificaciones geomecánicas constituyen actualmente el método más usado para caracterizar los macizos en términos de deformabilidad y resistencia. Las de uso más frecuente son las que se utilizan con propósitos tuneleros, sean las de Bienawski (1974 y 1989) o la de Barton (con diferentes mejoras desde su publicación seminal con Lien y

Lunde en 1975)91.

No vamos a hacer una descripción exhaustiva de las mismas, pues superan nuestros propósitos. Tan sólo mencionaremos que estas clasificaciones tratan de tener en cuenta la resistencia de la roca matriz, la compartimentación de la misma en bloques a través de las discontinuidades presentes (sean del tipo que sean), la rugosidad, alteración y tipo de relleno de dichas juntas (que pueden generar desplazamientos relativos de bloques o porciones de la masa rocosa), la presencia de agua y las tensiones actuantes (en el caso de la de Barton).

La disposición geológica suele ser otro factor importante y que puede conducir al desarrollo de diversas patologías en las excavaciones subterráneas. En general, en el transcurso de las investigaciones de esta tesis hemos tratado mayoritariamente con rocas sedimentarias relativamente recientes en términos geológicos (y por tanto estratificadas horizontal o subhorizontalmente, por no haber sufrido procesos tectónicos relevantes o ser las consecuencias de éstos casi impercetibles a la escala y profundidad de los hipogeos).

Pero no por ello están exentas de otros sistemas de fracturación, además de las propias discontinuidades sedimentarias, como por ejemplo la que hemos visto inducida por la relajación de tensiones en las proximidades de cantiles rocosos excavados por cursos fluviales y sometidos a regularización morfológica. La conjugación de unos y otros sistemas genera bloques inestables que deben analizarse con independencia de las clasificaciones generales que “cualifican” la masa rocosa, pero que nada nos dicen acerca de esta casuística, tan abundante localmente.

En la siguiente figura se muestran diferentes posibles posiciones de los estratos

en relación a la excavación de un túnel92. A la escala de nuestro trabajo nos encontramos

90

González de Vallejo et al (2002), pág.501.

91

Ver por ejemplo en Bell (1993) o en González de Vallejo et al (2002).

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casi siempre en el primero de los casos. A veces los estratos son de espesor suficiente y la roca se excava sin mayores problemas, dado el tamaño de los vanos en relación a la separación de las juntas de estratificación.

Figura 11. Diferentes posibles disposiciones estructurales de los estratos en relación a la excavación de un túnel.

En el caso de rocas de estratificación muy tableada, los desprendimientos de bloques en el techo suelen ser un fenómeno muy frecuente. Normalmente esta patología debería progresar hasta alturas del orden de 0,5B sobre clave, siendo B el ancho del túnel. Sin embargo, la interposición de capas competentes limita el fenómeno, de modo que es la resistencia a tracción de la roca la que gobierna la resistencia del techo de la cavidad, y por tanto la presencia de este tipo de “losas” naturales facilita la excavación bajo techos planos.

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Figuras 12 y 13. A la izquierda: túnel de ancho B excavado en un macizo muy compartimentado93. A la derecha, túnel excavado en un macizo bajo una capa rígida de espesor e (elaboración propia)

A modo de ejemplo, y si consideramos como en la figura anterior la capa a techo de espesor “e” como una viga perfectamente biempotrada soportando una carga de roca

de densidad 2,5 t/m3 de altura del orden de 0,5B y diferentes anchuras de vano B (por

ejemplo 3 y 4 metros, dimensiones frecuentes en habitaciones subterráneas), se obtienen – aplicando de modo sencillo fórmulas de resistencia de materiales- las tensiones de tracción en el centro del vano citadas en el cuadro siguiente.

Espesor de capa de roca a techo “e” (en m) Ancho de vano B=3 m Ancho de vano B=4 m 0,10 σ_t= 844 t/m2 σt= 2000 t/m 2 0,25 σt= 135 t/m2 σt= 320 t/m2 0,50 σt= 34 t/m2 σt= 80 t/m2 1,00 σ_t= 8 t/m2 σt= 20 t/m 2

Cuadro 8. Tensiones de tracción en el centro de vanos de ancho B, atendiendo a los espesores de las capas resistentes a techo, en las condiciones indicadas (densidad de la roca 2,5 t/m3 y

sobrecarga de roca sobre el techo de H=0,5B).

Si simplificadoramente admitimos que la resistencia a la tracción es del orden de un 10% de la resistencia a compresión simple, podemos observar que para el sostenimiento estructural estricto de un vano del orden de 3 ó 4 metros no son necesarias resistencias a compresión muy elevadas si las rocas presentan espaciamientos de sus lechos sedimentarios mayores de 0,50 metros. Si los lechos son del orden de 25 cm de

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espesor, se necesitaría idealmente una resistencia compresión de la roca del orden de 135

kg/cm2, con la relación compresión/tracción de 10 mencionada, para un vano de 3 metros.

Por tanto, en formaciones tableadas, bastan espesores moderados de techos resistentes (dolomías masivas, por ejemplo) para asegurar la estabilidad de los mismos, si el comportamiento fuese idealmente asemejable al de una viga biempotrada.

Obviamente, si existen juntas intermedias (que pudiesen hacer funcionar los mecanismos resistentes como biapoyados, pongamos por caso), cuestión que no es infrecuente en las rocas sedimentarias que a veces ejercen de techos, como por ejemplo en las calizas de los páramos, que presentan en ocasiones diaclasas de retracción penetrativas, se necesitarían resistencias del triple de las indicadas, sin más que establecer la sencilla relación entre los momentos resultantes en el centro de los vanos en uno u otro caso. Así, por ejemplo, con una capa a techo de espesor 0,50 metros, se necesitaría en este

caso una resistencia a compresión mínima de unos 100 kg/cm2, y del orden del cuádruple

si el espesor es reducido a 0,25 metros.

Algunos estudios experimentales en el caso de minas subterráneas han conducido a conclusiones semejantes. Como se observa en la figura adjunta, para espesores pequeños de capa “e” a techo, se producen tensiones de tracción en el centro del vano o en los estribos del mismo, y sin embargo, para capas de espesores del orden de la mitad del vano libre, tienden a propagarse fisuras verticales hasta aproximadamente el eje neutro de la capa resistente, y posteriormente hacia los arranques, produciendo una tendencia a la formación de un arco natural de roca no fracturada.

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Figuras 14 y 15. Mecanismos de fractura de una cavidad excavada en una serie de estratos horizontales94. En a) para el caso en el que el espesor de capa es del orden de 0,20 veces la luz. En b),

para espesores de capa del orden de 0,5 veces la luz libre.

Otra cuestión de interés es la estabilidad de los hipogeos cuando se excavan con poca montera. En este caso, influye sobremanera la elección del emplazamiento: tal como acabamos de ver la presencia de estratos de roca competente favorece el mantenimiento de techos estables siempre que no existan diaclasas verticales penetrativas que “traspasen” los estratos a techo (como por ejemplo en las secuencias de margas coronadas en calizas de los páramos, o en el caso de niveles de conglomerados cementados que yacen sobre materiales menos competentes).

Hemos encontrado en ocasiones hundimientos de los techos cuando las monteras son muy pequeñas, en algunos grupos rupestres. Cada caso requeriría de un análisis particularizado de la fracturación de los techos rocosos –pues ya hemos visto que la resistencia no es muy limitativa si la sobrecarga es moderada-, pero también de la resistencia al corte de las capas de cobertera, cuando no son muy consolidadas. Y más aún, la cuestión requiere del mantenimiento de unas condiciones aceptables en lo tocante a la canalización de escorrentías, máxime en los casos en los cuales el suprayacente es poco consolidado y/o permeable. El mantenimiento de coberteras del orden del diámetro

de la excavación parece en general prudencial, y suele ser un uso común95.

94

Tomado de Young y Young (1992), pág. 50. Los estudios a los que se refieren son de Stephansson (1970).

95

Aunque no es frecuente encontrar recomendaciones, valga como excepción la publicación de la Diputación de Granada (Bernabé et al, 2007), que recomienda por ejemplo, la distancia mínima aconsejable entre techos y suelos de cuevas en niveles sucesivos, para hipogeos de nueva construcción – que se siguen excavando, por ejemplo, en la zona de Guadix-. No hay demasiadas disquisiciones técnicas en dicha publicación, pero el orden de magnitud aconsejado se mantiene en dichos límites (3-4 metros) habida cuenta que esta luz suele ser bastante habitual en las estancias excavadas.

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En general, los macizos de buena calidad se pueden excavar con poco sostenimiento, pero los de calidades peores requieren la toma de precauciones al respecto, tanto mayores cuanto peor la calidad del mismo y mayores las tensiones actuantes. En el ábaco siguiente, se observa, por ejemplo, el factor de seguridad en excavaciones no sostenidas de luz L para diferentes calidades del macizo rocoso, evaluadas estas mediante

el índice Q de Barton96.

Figura 16. Factor de seguridad de excavaciones subterráneas no sostenidas, para diferentes luces, y en función de la calidad global del macizo rocoso medida con el índice Q de Barton, y según Stacey

y Page (1986).

Finalmente, hemos de significar que una parte sustancial de las cuevas de vivienda se excavan en materiales tipo suelo. En este caso, en la estabilidad de las mismas juega un papel fundamental la resistencia al corte, que se puede definir a priori mediante un criterio de rotura sencillo como el de Mohr-Coulomb.

Dado que gran parte de los suelos en los que se excavan las cavidades son semisaturados, el esfuerzo cortante necesario para llegar a la rotura suele ser mayor que en condiciones de saturación. Este fenómeno es debido a la existencia de presiones intergranulares o capilares entre las partículas de suelo. El agua situada por encima de la capa freática -que es la situación en la que se encuentran las cuevas excavadas- se encuentra a una presión inferior a la atmosférica. La diferencia entre la presión del aire y

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la del agua se traduce en la denominada succión matricial, magnitud que decrece al aumentar la humedad del suelo.

En un ensayo de corte sin drenaje en una muestra cohesiva semisaturada, la compresión de aire en los poros permite el aumento de las presiones efectivas. A medida que parte del aire va siendo comprimido, es disuelto en el ensayo, y la resistencia de la mezcla aire-agua es cada vez menor. La compresibilidad de la mezcla aire-agua puede ser muy pequeña cuando aumentan las tensiones, y finalmente llegarse a la saturación, en la

cual se llegaría a obtener un ángulo de rozamiento nulo en el ensayo97

. Aunque en la práctica estas situaciones no se dan en las viviendas subterráneas -pues las tensiones normales actuantes suelen ser muy pequeñas-, sirva de ejemplo para observar como la saturación progresiva gobierna la resistencia al corte.

A humedad prácticamente constante, la succión se mantiene. A porosidad constante, si la humedad crece, la succión progresivamente desaparece (sería el caso en el que las coberteras se pudieran llegar a saturar), y por tanto disminuye la resistencia al corte del suelo. Si la humedad decrece hasta casi cero, también pueden desaparecer progresivamente las fuerzas intergranulares adicionales, y se puede producir la desagregación de las partículas situadas en la superficie, con desescamación de los paramentos, particularmente en el caso de suelos con elevados porcentajes de arena. Las fuerzas de succión son mayores en los terrenos cohesivos que en los granulares. Aún así, en éstos, son capaces de mantener sensiblemente unidas las partículas en ausencia de otros tipos de cementación.

La acumulación de ciclos de humedad - sequedad influye negativamente sobre la

conservación de la succión, debido a fenómenos histeréticos98.

En resumen, para un terreno dado, mientras el porcentaje de saturación es bajo - pero no nulo-, el terreno mantiene una apreciable resistencia al corte adicional. Por ello, resulta enormemente conveniente el mantenimiento continuado de las paredes y techos de las cuevas de vivienda que se excavan en estos suelos semisaturados, con objeto de evitar el fallo local o general al corte. Las cuevas que se abandonan tienden por ello a degradarse superficialmente, al acumularse variaciones estacionales de humedad y

97

Ver por ejemplo en Jiménez Salas (1975), pág. 383 y ss.

98

Barrera y Garnica (2002), pág. 24. Acerca de las expresiones que rigen la resistencia al corte adicional generada por la diferencia entre las presiones de aire y agua, y del incremento de la envolvente de Mohr Coulomb debido a esta causa, ver páginas 63 y ss.

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desecación en sus paredes y techos, toda vez que los "tapices" de enfoscado o enjabelgado se descuidan o desaparecen.