2. ¿Por qué clasificar a un macizo rocoso?
En la aplicación practica de la mecánica de rocas el
objetivo es:
Identificar las características importantes para un proyecto
determinado y las evaluaciones a efectuarse y
Medir y/o describir las propiedades de esos parámetros
dándoles valoraciones o calificaciones de acuerdo a su
estructura, composición y propiedades.
A partir de estas definiciones, el proceso de clasificación
es dirigido por dos preguntas:
1. ¿Cuál es el propósito de la clasificación?
2. ¿Qué método uso para lograr el objetivo?
4. Proceso general de diseño de mecánica de
rocas
Esquemas de clasificación
caen dentro de las primeras
tres categorías.
La caracterización del macizo
rocoso abarca los dos
primeros niveles.
El resultado de la clasificación
puede utilizarse en el tercer
proceso como un diseño
inicial.
5. Clasificaciones del macizo rocoso
▸ Clasificaciones de macizos rocosos
◦ Clasificación de Terzaghi
◦ Rock quality designation index (RQD)
◦ Rock Structure Rating (RSR)
◦ Rock Mass Rating (RMR)
◦ Rock Tunneling Quality Index (sistema Q)
◦ Coal Mining Roof Rating (CMRR)
◦ Geological Strength Index (GSI)
6. Antecedentes sobre clasificaciones del macizo
rocoso
Ritter (1879): Primer intento de formalizar un enfoque empírico para el
diseño de túneles, en particular para determinar los requerimientos de
sostenimiento.
Terzaghi (1956): Primera referencia sobre el uso de una clasificación del
macizo rocoso para el diseño del sostenimiento de túneles, con cimbras.
Lauffer (1958): Clasificación que involucra el tiempo de auto
sostenimiento para túneles.
Deere et al. (1967): Índice RQD (Designación de la Calidad de la Roca),
para proveer un estimado cuantitativo de la calidad del macizo rocoso, a
partir de los testigos de la perforación diamantina.
Wickham et al.(1972): Método cuantitativo para describir la calidad de un
macizo rocoso y para seleccionar el sostenimiento, en base a la Valoración
de la Estructura Rocosa (RSR - Rock Structure Rating). Primer sistema que
hace referencia al shotcrete.
7. Pacher et.al. (1974): Modificación del criterio de Lauffer y que
actualmente forma parte de la propuesta general de tunelería conocida como
NATM.
Barton et.al. (1974): Índice de Calidad Tunelera (Q ) para la determinación
de las características del macizo rocoso y de los requerimientos de
sostenimiento de túneles.
Bieniawski (1973): Clasificación Geomecánica o Valoración del Macizo
Rocoso RMR (Rock Mass Rating), refinado sucesivamente en varias
oportunidades, última versión 1989. Aplicable a la estimación del
sostenimiento, al tiempo de autosostenimiento y los parámetros de
resistencia del macizo rocoso.
Laubscher et.al. (1977): RMR de Bieniawski modificada para la minería
MRMR (Mining Rock Mass Rating), última versión 1990. Aplicable a la
estimación del sostenimiento y los parámetros de los métodos de minado
por hundimiento, principalmente.
8. Hoek et.al. (1994): Índice de Resistencia Geológica GSI (Geological
Strength Index), para clasificar al macizo rocoso, estimar la resistencia del
macizo rocoso y el sostenimiento. Ultima versión 1998.
Palmstron (1995): Índice del Macizo Rocoso RMi (Rock Mass Index).
Sistema para caracterizar el macizo rocoso y para aplicaciones en el
sostenimiento, excavación TBM, voladura y fragmentación de rocas.
9. Caracterización del macizo rocoso
Orientación
Espaciamiento
Persistencia o continuidad
Rugosidad
Apertura
Relleno
Presencia de agua
Número de familias
Tamaño de bloques (block size)
Alteración y meteorización
Resistencia de la roca intacta
11. Esquemas iniciales
Rock Quality Designation (RQD)
Deere (1967)
Es incorporado en los sistemas de
clasificacion RMR y Q.
Es una modificación del porcentaje de
recuperación del sondaje que considera
pedazos de testigos iguales o mayores
que 100 mm.
Roca altamente meteorizada RQD=0
12. RQD
Cuando no existe taladros diamantinos pero si se visualizan las trazas en
superficie, el RQD puede ser estimado utilizando el número de
discontinuidades por unidad de volumen (Jv).
vJ3.3115RQD
13. RQD
El RQD es un parámetro que depende mucho de la
dirección del taladro. Utilizar el índice volumétrico
puede ser muy útil para reducir esa dependencia.
El RQD es una medida de la frecuencia de fracturas (λ
fracturas/metro) por lo tanto esta relacion se puede
escribir como:
15. RQD
Tabla de clasificación:
RQD (%) Calidad de la Roca
<25 Muy mala
25 – 50 Mala
50 – 75 Regular
75 – 90 Buena
90 – 100 Muy buena
16. Rock mass rating (RMR)
Bieniawski (1976)
Para el uso en túneles en roca dura y suave.
La clasificación considera 6 parámetros:Rango
Factor A1: UCS 0 a 15
Factor A2: RQD 3 a 20
Factor A3: Espaciamiento de las discontinuidades 5 a 20
Factor A4: Condición de las discontinuidades 0 a 30
Factor A5: Condiciones de agua 0 a 15
Factor B: Ajuste por orientación de las -50 a 0
discontinuidades
22. RMR – Ejemplo de aplicacion
Un túnel es conducido a través de un granito ligeramente intemperizado
con un sistema dominante de diaclasas buzando 60º contra la dirección
de avance.
Los ensayos índices y el registro de los testigos de las perforaciones
diamantinas, dan valores típicos de resistencia a la Carga Puntual de 8
MPa y una valor promedio de RQD de 70 %.
Las diaclasas que son ligeramente rugosas y están ligeramente
intemperizadas, con una separación menor de 1 mm, tienen
espaciamiento de 300 mm. Se anticipan que las condiciones tuneleras
serán „mojadas‟.
El valor de RMR es determinado como sigue
23. Nota 1. Para superficies de discontinuidades ligeramente rugosas y alteradas con
una separación de < 1 mm, la Tabla 4 A.4 da una valoración de 25. Cuando se
dispone de una información mas detallada, se puede utilizar la Tabla 4 E para
obtener una valoración mas refinada. De aquí, en este caso, la valoración es la suma
de: 4 (longitud de discontinuidades de 1 – 3 m), 4 (separación de 0.1 – 1.0 mm), 3
(ligeramente rugoso), 6 (ningún relleno) y 5 (ligeramente intemperizado) = 22.
Nota 2. La Tabla 4 F da una descripción de ‘Regular’ para las condiciones asumidas,
donde el túnel esta avanzando contra el buzamiento de un sistema de juntas que
esta buzando 60º. Usando esta descripción para ‘Túneles y Minas’, la Tabla 4 B da un
ajuste de –5.
24. RMR: Aplicación – tiempo de auto soporte
Aplicación del RMR para
el calculo del tiempo de
auto soporte de un túnel.
La guía aplica para un
túnel en forma de arco de
10 metros de span, en un
macizo rocoso con un σv <
25 MPa
27. RMR - Aplicaciones
● Donde se necesite soporte usando la tabla anterior, la presion
permanente del soporte en el techo (Ptecho) (Pa) puede ser
estimado como:
Donde B es el ancho del tunel (m) y r es la densidad de la roca
(kg/m3)
● El factor de seguridad (FOS) del soporte se puede definir como:
Donde Fb se refiere a la capacidad de tension del perno (kN) y Sb al
espaciamiento de los pernos.
28. RMR - Consideraciones
● Cuando se encuentren diversas calidades de roca se debe
utilizar la condicion “critica”. Es decir que la caracteristica
geologica que ejerza la mayor influencia en la estabilidad, ej:
falla o zona de corte en un material competente.
● Cuando se encuentren varios sets de juntas, es la familia que
influencie en la estabilidad del tunel la que debe ser usada en
el calculo del RMR.
● Cuando ninguna familia de discontinuidades es dominante o
tiene una importancia critica, los valores del RMR para cada
set de discontinuidades son promediados para el valor final.
29. Rock Tunnelling Quality Index (Q)
● Q Index desarrollado por Barton (1974)
● Desarrollado a partir del “back analysis” de un gran numero
de excavaciones subterraneas.
– RQD – Índice de calidad de la roca.
– Jn - Número de familias de juntas (discontinuidades)
– Jr – Índice de rugosidad de las juntas
– Ja – Índice del grado de alteración de las juntas
– Jw – Factor de reducción debido a la presencia de agua en las juntas
– SRF - Factor de reducción debido al estado de tensiones
SRF
J
J
J
J
RQD
Q w
a
r
n
30. Indice Q – categorias de macizo rocoso
● La valoracion de la calidad del macizo varia desde Q=0.001 a
Q=1000 en una escala logaritmica.
31. Indice Q
● Tamaño de bloques (RQD/J n), Representa la estructura del
macizo rocoso; es una medida aproximada del tamaño de los
bloques.
● Resistencia al corte interbloques (J r/J a), Representa las
características de fricción de las paredes de una fractura o del
material de relleno donde más probablemente se puede iniciar el
fallamiento.
● Tensiones activas (J w/SRF), Es un factor empírico que
relaciona los esfuerzos activos del medio rocoso.
35. Indice Q modificado
● Q'
– Se puede remover el factor SRF si la roca esta “ajustada” pero
no como exceso de esfuerzos:
– Si la excavacion es relativamente seca, entonces Jw es 1 y
la ecuacion se convierte en:
43. Indice Q – Ejemplo de aplicacion
Una cámara de chancado de 15 m de ancho para una mina subterránea,
está para ser excavada en una norita, a una profundidad de 2100 m
debajo de la superficie.
La masa rocosa contiene dos sistemas de juntas que controlan la
estabilidad. Estas juntas son onduladas, rugosas y no intemperizadas
con muy pocas manchas superficiales.
Los valores de RQD varian entre 85% a 95% y ensayos de laboratorio en
muestras de roca intacta dan un promedio de resistencia a la
compresion simple de 170 Mpa.
Las direcciones de los esfuerzos principales son aproximadamente
vertical y horizontal y la magnitud del esfuerzo principal horizonal es
aproximadamente 1.5 veces el esfuerzo principal vertical.
El macizo rocoso esta actualmente humedo pero no hay evidencia de
flujo de agua.
44. Indice Q – Ejemplo de aplicacion
● La Tabla 3.6.4 da un número de alteración de juntas de Ja = 1.0 para
paredes no alteradas de las juntas y con solo unas manchas
superficiales.
● La Tabla 3.6.5 muestra que para una excavación con flujos menores,
el factor de reducción de agua en las juntas Jw = 1.0 .
● Para una profundidad debajo de la superficie de 2100 m, el esfuerzo
por la sobrecarga rocosa será aproximadamente 57 MPa, y en este
caso, el esfuerzo principal máximo 1 = 85 MPa. Desde que la
resistencia compresiva uniaxial de la norita es aproximadamente
170 MPa, esto da una relación de c/ 1 = 2.
● La Tabla 6.6 muestra que para roca competente con problemas de
esfuerzos en la roca, este valor de c/ 1 podría producir
condiciones de severos estallidos de rocas y que el valor de SRF
estaría entre 10 y 20. Para los cálculos se asumirá un valor de SRF =
15.
46. Indice Q – Requerimiento de sostenimiento
● Dimension Equivalente (De)
● Equivalente Suport Ratio (ESR)
– Relacionado al uso de la excavacion.
47. Indice Q – Requerimiento de sostenimiento
La estación de chancado discutido arriba cae dentro de la categoría de una
excavación minera permanente y se asigna una relación de sostenimiento de
la excavación de ESR = 1.6. De aquí, para un ancho de excavación de 15 m, la
dimensión equivalente De = 15/1.6 = 9.4
La dimensión equivalente De ploteado contra el valor de Q, es usado para
definir un número de categorías de sostenimiento en un diagrama publicado
en el artículo original de Barton et.al. (1974).
Este diagrama ha sido actualizado por Grimstad y Barton (1993) para reflejar
el increciente uso del shotcrete reforzado con fibras de acero en el
sostenimiento de excavaciones subterráneas. En la Figura 3 se reproduce
este diagrama actualizado.
A partir de la Figura 3, un valor de De de 9.4 y un valor de Q de 4.5, colocan
a esta excavación de chancado en la categoría (4), la cual requiere la
colocación de pernos de roca (espaciados cada 2.3 m) y shotcrete no
reforzado de 40 a 50 mm de espesor.
48. Figura 3: Categorías de sostenimiento estimadas, basadas en el
índice de calidad tunelera Q (Según Grimstad y Barton, 1993)
49. Indice Q – Requerimiento de sostenimiento
● Barton et.al. (1980) proporcionaron también información adicional sobre la
longitud de los pernos, abiertos máximos sin sostenimiento y presiones del
sostenimiento, para complementar las recomendaciones del sostenimiento
publicado en el artículo original de 1974.
● La longitud L de los pernos de roca puede ser estimada a partir del ancho
de la excavación B y la Relación de Sostenimiento de la Excavación ESR:
● El máximo abierto sin sostenimiento puede ser estimado a partir de:
●
50. Indice Q – Requerimiento de sostenimiento
● Basado en el análisis de casos registrados, Grimstad y Barton (1993)
sugirieron que la relación entre el valor de Q y la presión del sostenimiento
permanente Ptecho es estimada a partir de:
● El factor de seguridad (FOS) del soporte puede ser definido como:
Donde Fb es la capacidad del perno (tension) en kN y Sb es el
espaciamiento de los pernos
51. Indice Q - Consideraciones
En muchos casos es apropiado dar un rango de valores para cada
parámetro en una clasificación de la masa rocosa y para evaluar la
significancia del resultado final, como el ejemplo dado en la Figura 4
En este caso particular, la masa rocosa esta seca y sometida a una
condición de esfuerzos “medios”, siendo la valoracion respectiva 1.
El valor promedio de Q = 9.8 y su rango aproximado es 1.7 Q 20. El
valor promedio de Q puede ser usado en la selección del sistema de
sostenimiento, mientras que el rango da una indicación de los posibles
ajustes que serán requeridos para satisfacer las diferentes condiciones
encontradas durante la construcción.
52. Figura 4: Histogramas mostrando variaciones en RQD, Jn, Jr y Ja para una arenisca
bajo condición de esfuerzo “medio”, reproducido de las notas de campo preparado por
el Dr. N. Barton.
Jw = 1.0 SRF = 1.0
Típico
Rango aproximado
3.8
1
1
*
1
5.1
*
9
50
Q
207.1
1
1
*
3.1
5.1
*
96
8030
Arenisca diaclasada
0.5
12
No.
4
8
16
4
No. 8
12
1 1.5 2 3 4
No.
16
4
8
12
16
0
10
No.6
2
4
8
12
20
70
92 4 6 12 15
402010 30 50 60 1009080
Jn
testigos > 10 cm
RQD % de
Ja
Jr
sistema de juntas
rugosidad de juntas
alteración de juntas
421 3 6 8
54. Geological Strength Index - GSI
● La resistencia de un macizo rocoso fracturado depende
de las propiedades de los trozos de roca intacta y en la
libertad que tengan estas piezas de rotar y resbalar bajo
diversas condiciones de esfuerzos.
● El GSI (Gelogical Strength Index) brinda un sistema para
estimar la reduccion en la resistencia del macizo rocoso
debido a diferentes condiciones geologicas.
55.
56. GSI
● Se puede determinar el GSI directamente de la tabla anterior
o relacionando con los sistemas RMR y Q.
● GSI=RMR(1976)
● GSI=RMR(1989) - 5
57. Predicción del módulo de deformación in situ Em a partir de
las clasificaciones de la masa rocosa
(RMR-10)/40
ValoracióngeomecánicadelamasarocosaRMR
Em=10
MódulodedeformacióninsituEm-GPa
casos históricos:
80
0
0
10
20
30
40
50
70
60
402010 30 6050 70
SerafínyPereira(1983)
Em=2RMR-100
Em=25Log Q
Bieniawski(1978)
0.01
90
IndicedecalidadtuneleraQ
0.04 1.00 4.00 10 40
80 90 100
100 400
58. Discusion
● Existen ecuaciones para transformar entre un sistema de
clasificacion y otro y para obtener el modulo de deformacion del
macizo rocoso (Emacizo) a partir de un sistema de clasificacion.
● RECUERDE
– Los sistemas descritos son empiricos.
– Ninguna de las tecnicas tiene un sustento cientifico.
– Los sistemas de clasificacion son buenos como guias.
– Hay probables modificaciones en ambos:
● Esfuerzos no son incluidos en el RMR
● Resistencia de la roca intacta no es parte del Q
– No deben ser usados como unica medida de la calidad del
macizo rocoso o como unica guia para el diseno del
sostenimiento.
