UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOMaestra en Geotecnia y Geomecanica MineraCLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSOCurso:Conceptos Fundamentales en Geotecnia.ING. Gerardo ZAPANA RONDON

Cuando no se tiene informacin detallada sobre la masa rocosa y sus esfuerzos y sobre las caractersticas hidrolgicas del lugar de un proyecto, el uso de un esquema de clasificacin de la masa rocosa puede ser considerablemente beneficioso.

En el caso ms simple, se puede utilizar un esquema de clasificacin como un chequeo para asegurar que toda la informacin relevante ha sido considerada. En otro extremo, se puede utilizar uno o ms esquemas de clasificacin de la masa rocosa, para desarrollar una idea de la composicin y caractersticas de una masa rocosa, a fin de proporcionar estimados iniciales de los requerimientos de sostenimiento y de las propiedades de resistencia y deformacin de la masa rocosa.CLASIFICACIN DE LA MASA ROCOSAIntroduccin

Es importante entender que el uso de un esquema de clasificacin de la masa rocosa no (y no puede) reemplaza a los procedimientos ms elaborados de diseo.El uso de los procedimientos de diseo requiere de informacin relativamente detallada sobre los esfuerzos in situ, las propiedades de la masa rocosa y la secuencia de excavacin planeada. Conforme se tenga disponible informacin ms detallada, los esquemas de clasificacin de la masa rocosa debern ser actualizados y utilizados en conjunto con los anlisis especficos del sitio.

La Clasificacin del Macizo RocosoQu es un sistema de clasificacin del macizo rocoso?Es un acercamiento sistemtico para evaluar y comunicando la naturaleza de lo quebrado de una masa tpica de la roca. Diseando sistemas de clasificacin de el macizo rocoso para la comunicacin de ideas

Quin necesita saber esta informacin?Toda esa gente que est involucrada en el diseo, excavacin y el uso de cualquier obra minera o civil, o sea ingenieros, gelogos de la mina, planificadores, supervisores de la mina y mineros.

La fuerza intacta de la rocaEl espaciamiento del fracturaEl agua subterrneaLa persistencia del fracturaLa orientacin del fracturaLos esfuerzos In-situLa densidad de fractura del testigo (RQD)Fractura aperature y condicin de la superficieEl contorno (la forma) del fracturaQu son los parmetrosms importantes?

Las propiedades empricas del macizo rocoso

El comportamiento del macizo rocoso

Macizo Fracturado Pesadamente fracturadoLos esfuerzos El punto bajoLos esfuerzos El alto

La influencia de escalaPocos bloquesLas fracturas discretosLas propiedades relativasTajomuchos bloquesDbilIntegridadIntactoFuertemente

Antecedentes sobre clasificaciones de la masa rocosa en ingenieraRitter (1879): Primer intento de formalizar un enfoque emprico para el diseo de tneles, en particular para determinar los requerimientos de sostenimiento.Terzaghi (1956): Primera referencia sobre el uso de una clasificacin de la masa rocosa para el diseo del sostenimiento de tneles, con cimbras. Lauffer (1958): Clasificacin que involucra el tiempo de autosostenimiento para tneles.Deere et al. (1964): Indice RQD (Designacin de la Calidad de la Roca), para proveer un estimado cuantitativo de la calidad de la masa rocosa, a partir de los testigos de la perforacin diamantina.

Wickham et al.(1972): Mtodo cuantitativo para describir la calidad de una masa rocosa y para seleccionar el sostenimiento, en base a la Valoracin de la Estructura Rocosa (RSR - Rock Structure Rating). Primer sistema que hace referencia al shotcrete.

Pacher et.al. (1974): Modificacin del criterio de Lauffer y que actualmente forma parte de la propuesta general de tunelera conocida como NATM.Barton et.al. (1974): ndice de Calidad Tunelera (Q) para la determinacin de las caractersticas de la masa rocosa y de los requerimientos de sostenimiento de tneles.Bieniawski (1973): Clasificacin Geomecnica o Valoracin de la Masa Rocosa RMR (Rock Mass Rating), refinado sucesivamente en varias oportunidades, ltima versin 1989. Aplicable a la estimacin del sostenimiento, al tiempo de austosostenimiento y los parmetros de resistencia de la masa rocosa.

Laubscher et.al. (1977): RMR de Bieniawski modificada para la minera MRMR (Mining Rock Mass Rating), ltima versin 1990. Aplicable a la estimacin del sostenimiento y los parmetros de los mtodos de minado por hundimiento, principalmente.

Hoek et.al. (1994): ndice de Resistencia Geolgica GSI (Geological Strength Index), para clasificar a la masa rocosa, estimar la resistencia de la masa rocosa y el sostenimiento. Ultima versin 1998. Palmstron (1995): ndice del Macizo Rocoso RMi (Rock Mass Index). Sistema para caracterizar la masa rocosa y para aplicaciones en el sostenimiento, excavacin TBM, voladura y fragmentacin de rocas.

Objetivos de las clasificaciones de la masa rocosaIdentificar los parmetros ms significativos que influyen en el comportamiento de la masa rocosa.

Dividir una formacin rocosa en grupos de similar comportamiento, es decir, clases de masas rocosas de diferentes calidades.

Proporcionar una base para el entendimiento de las caractersticas de cada clase de masa rocosa.

Relacionar la experiencia de las condiciones de la roca de un lugar a las condiciones y experiencia encontradas en otros lugares.

Obtener datos cuantitativos y guas para el diseo de ingeniera.

Proporcionar una base comn de comunicacin entre el ingeniero y el gelogo.

Principales beneficios de las clasificaciones de la masa rocosaMejora la calidad de las investigaciones del sitio puesto que llama a un mnimo de datos de entrada como parmetros de clasificacin.

Proporciona informacin cuantitativa para propsitos de diseo.

Permite un mejor juicio ingenieril y una comunicacin ms efectiva en el proyecto.

Clasificacin de la masa rocosa de TerzaghiEs interesante examinar las descripciones de la masa rocosa incluidas en su publicacin original, debido a que puso atencin en aquellas caractersticas que rigen el comportamiento de la masa rocosa, particularmente en situaciones donde la gravedad constituye la fuerza impulsora dominante. Las definiciones claras y concisas y los comentarios prcticos incluidos en estas descripciones son buenos ejemplos del tipo de informacin ingeniero-geolgicas que es muy til para el diseo en ingeniera. Las descripciones son:

La roca intacta no contiene ni diaclasas ni grietas delgadas. Por lo tanto, si sta se fractura, lo hace a travs de roca sana. Por el dao de la roca debido a la voladura, pueden desprenderse materiales astillados del techo varias horas o das despus de la voladura. Esto es conocido como condicin de astillamiento. La roca intacta dura tambin puede ser encontrada en la condicin de pequeos estallidos de rocas, los cuales involucran la separacin violenta y espontnea de bloques rocosos de las paredes o del techo.

La roca estratificada consiste de estratos individuales con poca o ninguna resistencia contra la separacin a lo largo de los lmites entre los estratos. Los estratos pueden o no estar debilitados por diaclasas transversales. En tales rocas la condicin de astillamiento es bastante comn.

La roca moderadamente diaclasada contiene diaclasas y grietas delgadas, pero los bloques entre las diaclasas estn desarrollados tan juntos o tan ntimamente entrelazados que las paredes verticales no requieren de sostenimiento lateral. En rocas de este tipo pueden ser encontradas ambas condiciones: tanto el astillamiento como los pequeos estallidos de rocas.La roca con fracturamiento en bloques y grietas consiste de fragmentos de roca intacta o casi intacta, los cuales se encuentran completamente separados unos de otros e imperfectamente entrelazados. En tales rocas, las paredes verticales pueden requerir de sostenimiento lateral.La roca triturada pero qumicamente intacta tiene la caracterstica de seguir triturndose. Si varios o todos los fragmentos son tan pequeos como granos de arena fina y la recementacin no ha ocurrido, la roca triturada bajo el nivel fretico exhibe las propiedades de una arena portadora de agua.

La roca altamente deformable avanza lentamente en el tnel sin un incremento perceptible de volumen. Un prerrequisito para la alta deformabilidad es un alto porcentaje de partculas microscpicas y submicroscpicas de minerales micceos o minerales arcillosos con una baja capacidad de expansin.La roca expansiva avanza en el tnel principalmente debido a la expansin. La capacidad para expandirse parece ser limitada a aquellas rocas que contienen minerales de arcilla tales como la montmorillonita, con una alta capacidad de expansin.

Lauffer (1958) propuso que el tiempo de auto-sostenimiento para una abertura sin sostenimiento est relacionado a la calidad de la masa rocosa en la cual la abertura es excavada. La importancia del concepto del tiempo de auto-sostenimiento radica en que un incremento en la abertura de la excavacin conduce a una reduccin importante del tiempo disponible para la instalacin del sostenimiento. El Nuevo Mtodo Austraco de Tunelera incluye un nmero de tcnicas para una tunelera segura en condiciones de rocas blandas o excesivamente fracturadas, en las cuales el tiempo de auto-sostenimiento es limitado antes de que ocurra la falla.En excavaciones en roca dura, en las cuales pueden ocurrir diferentes mecanismos de falla, debera tenerse gran cuidado en el intento de aplicar estas tcnicas.Clasificaciones que involucran el tiempo de auto-sostenimiento

En el diseo del sostenimiento para excavaciones en rocas duras, es prudente asumir que la estabilidad de la masa rocosa circundante a la excavacin no depende del tiempo. Las cuas pueden caer o deslizar en cualquier momento, durante la voladura o despus del desatado, por lo que hay que instalar el sostenimiento lo ms pronto posible. Por otro lado, en una roca altamente esforzada, la falla puede ocurrir gradualmente y manifestarse como astillamientos o lajamientos u ocurrir sbitamente en forma de pequeos estallidos de roca. En ambos casos, el diseo del sostenimiento debe tomar en cuenta el cambio en el campo de esfuerzos, ms que el tiempo de auto-sostenimiento de la excavacin.

El ndice de Designacin de la Calidad de la Roca (RQD) desarrollado por Deere et al.,1967, provee un estimado cuantitativo de la calidad de la masa rocosa, a partir de los testigos de la perforacin diamantina. El RQD es definido como el porcentaje de piezas de testigos intactos mayores de 100 mm (4 pulgadas) en la longitud total del testigo. El testigo deber tener por lo menos un tamao NX (54.7 mm o 2.15 pulgadas de dimetro) y deber ser perforado con un cilindro de doble tubo de perforacin. El procedimiento correcto para medir las longitudes de los testigos y el clculo del RQD son resumidos en la siguiente figura.Indice de designacin de la calidad de la roca (RQD)

El ndice De Designacin De Calidad De La Roca (RQD) (3)

Modelo GeomecnicoAqu nosotros vamos a cuantificar los parmetros obtenidos en el modelo geolgico.RQD Llamado tambin calidad de roca (Rock Quality Design) se obtiene de testigos de perforacin diamantina. Se define : RQD = Suma .long 100mm. Long. taladro RQD= 15+10+14+12+10 x 100% 100RQD = 61%

Ejemplo de clculo

Estimacin de RQD sin Testigos diamantinosPalmstrom (1982) sugiri que, cuando los testigos no estn disponibles pero las trazas de las discontinuidades son visibles en afloramientos superficiales o en socavones exploratorios, el RQD puede ser estimado a partir del nmero de discontinuidades por unidad de volumen. La relacin sugerida para masas rocosas libres de arcillas es:

RQD = 115 - 3.3 Jv

Donde Jv es la suma del nmero de discontinuidades por unidad de longitud de todas las familias de discontinuidades, conocido como el conteo volumtrico de discontinuidades.

Otras formas de estimar el RQD

El RQD es un parmetro direccionalmente dependiente y su valor puede cambiar significativamente, dependiendo sobre todo de la orientacin del taladro. El uso del conteo volumtrico de discontinuidades puede ser muy til en la reduccin de esta dependencia direccional.El RQD pretende representar la calidad del macizo rocoso in situ. Cuando se utiliza la perforacin diamantina, se debe tener mucho cuidado para garantizar que las fracturas causadas por el manipuleo o el proceso de perforacin sean identificadas e ignoradas cuando se determine el valor del RQD.El RQD es utilizado ampliamente en las aplicaciones de la mecnica de rocas.

CLASIFICACIN POR VALORACIN DE LA ESTRUCTURA ROCOSA (RSR)La importancia del sistema RSR, en el contexto de esta discusin, es que introduce el concepto de valoracin de cada uno de los componentes listados abajo para llegar a ser un valor numrico del RSR = A+B+C. 1. Parmetro A, Geologa: Apreciacin general de la estructura geolgica en base a: a. Origen del tipo de roca (gnea, metamrfica, sedimentaria). b. Dureza de la roca (dura, mediana, suave, descompuesta) c. Estructura geolgica (masiva, ligeramente fallada/plegada, moderadamente fallada/plegada, intensamente fallada/plegada). 2. Parmetro B, Geometra: Efecto del arreglo de discontinuidades con respecto a la direccin de avance del tnel, en base a: a. Espaciamiento de las discontinuidades. b. Orientacin de las discontinuidades (rumbo y buzamiento). c. Direccin de avance del tnel. 3. Parmetro C: Efecto del flujo de agua subterrnea y de la condicin de las discontinuidades en base a: a. Calidad de la masa rocosa en base de A y B combinados. b. Condicin de discontinuidades (bueno, regular, pobre). c. Cantidad de flujo de agua (en galones por minuto por 1000 pies de tnel).

Valoracin de la estructura rocosa: Parametro A: Geologa General del Area

Valoracin de la estructura rocosa: Parametro B: Modelo de discontinuidades, direccin de avance

Valoracin de la estructura rocosa: Parametro C: Agua subterranea, condicin de las discontinuidades

Espaciamiento promedio de las discontinuidades

Abaco para estimar el tipo de sostenimiento con RSR

EjemploSi se realiza una abertura subterrnea sobre una roca metamrfica dura que ha sido ligeramente plegada o fallada. La masa rocosa est moderadamente diaclasada, con diaclasas de rumbo perpendicular al eje del tnel, el cual est siendo avanzado en direccin Este- Oeste (con el buzamiento), con un buzamiento entre 20 y 50. Las diaclasas son de condicin ligeramente intemperizada y alterada; En el lugar se tiene flujo moderado de agua entre 200 y 1000 galones por minuto.Para lo cual se pide determinar el tipo de sostenimiento a emplearse.

CLASIFICACIN GEOMECNICA RMRLa discusin que sigue est basada en la versin de 1989 de la clasificacin (Bieniawski, 1989). Esta versin y la versin de 1976 sern utilizadas en el Captulo 8 que trata sobre la estimacin de la resistencia de la masa rocosa. Los siguientes seis parmetros son usados para clasificar una masa rocosa con el sistema RMR:1. Resistencia compresiva uniaxial del material rocoso 2. Designacin de la calidad de la roca (RQD) 3. Espaciamiento de las discontinuidades 4. Condicin de las discontinuidades 5. Condiciones del agua subterrnea 6. Orientacin de las discontinuidades

RMR: Resistencia de la Masa RocosaEn la aplicacin de este sistema de clasificacin, la masa rocosa es dividida en un nmero de regiones estructurales y cada regin es clasificada separadamente. Los bordes de las regiones estructurales generalmente coinciden con algn rasgo estructural principal tal como una falla o con un cambio en el tipo de roca. En algunos casos los cambios significativos en el espaciamiento o caractersticas de las discontinuidades, dentro de un mismo tipo de roca, puede requerir la divisin de la masa rocosa en un nmero de pequeas regiones estructurales o dominios.En las siguientes tablas se indican sus valoraciones

Instrumentos necesarios mnimos para el campo

Ejemplo de aplicacinUn tnel es conducido a travs de un granito ligeramente intemperizado con un sistema dominante de diaclasas buzando 60 contra la direccin de avance. Los ensayos ndices y el registro de los testigos de las perforaciones diamantinas, dan valores tpicos de resistencia a la Carga Puntual de 8 MPa y una valor promedio de RQD de 70 %. Las diaclasas que son ligeramente rugosas y estn ligeramente intemperizadas, con una separacin menor de 1 mm, tienen espaciamiento de 300 mm y con una persistencia promedio de de 1 a 2 metros. Se anticipan que las condiciones tuneleras sern mojadas.Para lo cual se pide estimar el tipo de roca y sostenimiento.

CLASIFICACIN DEL MACIZO ROCOSO POR EL NDICE QBarton et.al. (1974), propusieron un ndice de Calidad Tunelera (Q) para la determinacin de las caractersticas de la masa rocosa y de los requerimientos de sostenimiento de los tneles. El valor numrico de este ndice Q varia sobre una escala logartmica desde 0.0001 hasta un mximo de 1,000, y est definido por: Donde:

Dimensin Equivalente De de la ExcavacinEsta dimensin es obtenida dividiendo el ancho (span), dimetro o altura de la pared de la excavacin por una cantidad llamada Relacin de Sostenimiento de la Excavacin, ESR. De:

Tablas de ndice de Clasificacin de calidad Tunelera Q

CLASIFICACIN POR EL INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA GSI ( Geological Strength Index )*Hoek y Brown para calcular la resistencia de la masa rocosa, sugieren las constantes empleadas, se pueden estimar a partir de la versin 1976 de la Valoracin de la masa Rocosa (RMR) de Bieniawski, asumiendo condiciones completamente secas y orientaciones muy favorables de las juntas. La valoracin final, llamada RMR76, puede luego ser utilizada para estimar el valor de GSI como:Para RMR 76 > 18GSI = RMR 76 RMR76 < 18 No se puede utilizar la clasificacin de Bieniawski de 1976 para estimar GSI, en cambio se debera usar el valor de Q de Barton, Lien y Lunde.

*La clasificacin de Bieniawski de 1989, puede ser utilizada para estimar el valor de GSI de una manera similar a lo descrito para la versin de 1976.

Ntese que el valor mnimo que se puede obtener con la clasificacin de 1989 es de 23 y que, en general, esta da un valor ligeramente ms alto que la clasificacin de 1976. La valoracin final, llamada RMR89, puede ser utilizada para estimar el valor de GSI como:Para RMR89 > 23GSI = RMR 89 - 5 Para RMR89 < 23 no se puede utilizar la clasificacin de Bieniawski de 1989 para estimar GSI, en cambio se debera usar el valor de Q de Barton, lien y lunde.

GEOMECANICA PRCTICA APLICADA EN SELECCIN DE SOSTENIMIENTO *

CARACTERISTICAS A CONSIDERARSE SOBRE EL MACISO ROCOSO* DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSALos principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son:

Planos de estratificacin.- dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.Fallas.- son fracturas que han tenido desplazamiento. stas son estructuras menores que se presentan en reas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.Zonas de Corte.- son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.Diaclasas.- tambin denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que ms comnmente se presentan en la masa rocosa.Planos de foliacin o esquistosidad.- se forman entre las capas de las rocas metamrficas dando la apariencia de hojas o lminas.Contactos litolgicos.- que comnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

PROPIEDADES DE LAS DICONTINUIDADES *Orientacin.- es la posicin de la discontinuidad en el espacio y comnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientacin o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que stas forman un sistema o una familia de discontinuidades.Espaciado.- es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. ste determina el tamao de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques sern ms pequeos y cuanto ms espaciado tengan, los bloques sern ms es la distancia perpendicular entre discontinuidadesPersistencia.- es la extensin en rea o tamao de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa ser ms estable y cuanto mayor sea sta, ser menos estable.Rugosidad.- es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa ser menos competente y cuanto mayor sea sta, la masa rocosa ser ms competente.Apertura.- es la separacin entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que sta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa sern mejores y a mayor apertura, las condiciones sern ms desfavorables.Relleno.- son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando stos son ms duros, sta es ms competente.

CONDICONES DE LA MASA ROCOSADe acuerdo al nmero de fracturas por metro lineal las rocas se clasifican en:Masiva ( menos de 2 fracturas / metro ) Levemente fracturada ( 2 a 5 fracturas / metro) Moderadamente fracturada (6 a 12 fracturas / metro. Muy fracturada (12 a 20 fracturas / metro). Intensamente fracturada (mas de 20 fracturas / metro).Triturada ( solamente se obtienen fragmentos *

Roca masiva o levemente fracturado

Roca moderadamente fracturada

Roca muy Fracturada

Roca intensamente fracturada

Roca triturada o brechada

1De acuerdo a como se rompen o se indentan con la picota se clasifican en:Muy Buena o Extremadamente Dura, solo se astilla con golpes de picota.Buena o Muy Dura, se rompe con mas de tres golpesRegular o Dura, se rompe con uno a tres golpes de picota. Pobre o Blanda, se indenta superficialmente con la punta de la picota.Muy Pobre o Muy Blanda, se indenta profundamente con la punta de la picota.

*

De acuerdo a las condiciones de las paredes de las discontinuidaes

2Cuando se quiere conocer como se comportara la roca, deber describirse ambas condiciones de resistencia.Si nosotros queremos excavar y ya hemos determinado las condiciones de fracturamiento y de resistencia, debemos conocer que existen otros parmetros naturales que pueden modificar su comportamiento al ser excavadas, tales como los esfuerzos, la presencia de agua y la orientacin y tamao de la excavacin con respecto a la orientacin de las discontinuidades.*

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