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CLASIFICACION DE LA MASA ROCOSA
Introduccin
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 deestimados iniciales de los
propiedades de resistencia y
una masa rocosa, a f in de proporcionar
requerimientos de sostenimiento y de las
deformacin de la masa rocosa.
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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 enconjunto con los anlisis especficos del sitio.
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Antecedentes sobre clasificaciones de la masa rocosa en
ingeniera
Ritter (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.
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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): Indice 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): Indice de Resistencia Geolgica GSI (Geological StrengthIndex), para clasificar a la masa rocosa, estimar la resistencia de la masa rocosa
y el sostenimiento. Ultima versin 1998.
Palmstron (1995):Indice 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.
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Objetivos de las clasificaciones de la masa rocosa
Identifi car los parmetros ms signi ficativos 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
condic iones 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.
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Principales beneficios de las clasificaciones de la masa rocosa
Mejora la calidad de las investigaciones del s itio 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 elproyecto.
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Clasificacin de la masa rocosa de Terzaghi
Es 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
ti l para el diseo en ingeniera. Las descripciones son:
La roca intactano 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
astillamiento . La roca intacta dura tambin puede ser encontrada encondicin de pequeos estallidos de rocas , los cuales involucran
das despus de la vo ladura. Esto es conocido como condic in de
lala
separacin violenta y espontnea de bloques rocosos de las paredes o del techo.
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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 talesrocas la condicin de astillamientoes bastante comn.
La roca moderadamente diaclasadacontiene 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 elastillamientocomo los pequeos estallidos de rocas .
La roca con fracturamiento en bloques y grietasconsiste de fragmentos de roca
intacta o casi in tacta, 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.
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La roca altamente deformableavanza lentamente en el tnel sin un incremento
perceptible de volumen. Un prerrequisito para la alta deformabilidad es un altoporcentaje de partculas microscpicas y submicroscpicas de minerales
micceos o minerales arcil losos con una baja capacidad de expansin.
La roca expansivaavanza 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 deexpansin.
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Clasificaciones que involucran el tiempo de auto-sostenimiento
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 Austriaco 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 limi tado 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.
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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 fal la puede ocurrir
gradualmente y manifestarse como astillamientos o lajamientos u ocurrir
sbitamente en forma de pequeos estallidos de roca. En ambos casos, eldiseo del sostenimiento debe tomar en cuenta el cambio en el campo de
esfuerzos, ms que el tiempo de auto-sostenimiento de la excavacin.
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Indice de designacin de la calidad de la roca (RQD)
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 lomenos 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.
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Longitud total de la corrida de testigos
Longitudes de pieza de testigos > 10 cm
RQD=200
RQD= x 100%
38 + 17 + 20 + 35x 100 = 55 %
Longitud total de la corrida de testigos = 200 cm
Ninguna pieza > 10 cm
L = 20cm
L =0
L = 17cm
L = 38cm
L = 35cm
Interrupcin de la perforacin
L =0
Norecuperado
Figura 1: Procedimiento de medicin y clculo del RQD (Deere, 1989).
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Palmstrom (1982) sugiri que, el RQDpuede ser estimado a partir del nmero de
discontinuidades por unidad de volumen, visibles en afloramientos rocosos o
socavones. La relacin sugerida para masas rocosas libres de arcil las es:
dondeJves la suma del nmero de discontinuidades por unidad de longitud de
todas las familias de discontinuidades, conocido como el conteo volumtrico de
discontinuidades.
El RQDes un parmetro direccionalmente dependiente y su valor puede cambiar
signifi cativamente, 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
ident ifi cadas e ignoradas cuando se determine el valor del RQD.
El RQDes uti lizado ampl iamente en las aplicaciones de la mecnica de rocas.
RQD 115 3.3Jv Ecuacin 1
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Valoracin de la Estructura Rocosa (RSR)
Muchos de los casos histricos, utilizados en el desarrollo de este sistema,
fueron tneles relativamente pequeos sostenidos por medio de cimbras
metlicas y a pesar de sta limitacin, merece ser examinado en cierto detalle, ya
que demuestra la lgica involucrada en el desarrollo de un sistema de
clasificacin del macizo rocoso cuasi-cuantitativo y la utilizacin del ndice
resultante para estimar el sostenimiento.
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.
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Parmetro A, Geologa: Apreciacin general de la estructura geolg ica en base a:
a. Origen del tipo de roca (gnea, metamrf ica, sedimentaria).
b. Dureza de la roca (dura, mediana, suave, descompuesta)
c. Estructura geolgica (masiva, ligeramente fallada/plegada, moderadamente
fallada/plegada, intensamente fallada/plegada).
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.
Parmetro C: Efecto del flujo de agua subterrnea y de la condicin de lasdiscontinuidades en base a:
a. Calidad de la masa rocosa en base deA y Bcombinados.
b. Condicin de discontinuidades (bueno, regular, pobre).
c. Cantidad de flujo de agua (en galones por minuto por 1000 pies de tnel).
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La clasificacin RSRutiliza unidades imperiales y estas unidades han sido aqu
conservadas.
Las tres tablas de la publicacin deWickham et.al. 1972se reproducen en las
Tablas 1, 2 y 3. Estas tablas pueden ser utilizadas para evaluar la valoracin de
cada uno de estos parmetros para llegar al valorRSR(mximo RSR= 100).
Por ejemplo, una roca metamrfica dura que ha sido ligeramente plegada ofallada tiene una valoracin deA=22(de la Tabla 1).
La masa rocosa est moderadamente diaclasada, con diaclasas de rumbo
perpendicular al eje del tnel, el cual esta siendo avanzado en direccin Este-
Oeste y buzamiento entre 20 y 50. La Tabla 2 da una valoracin de B=24para un
avance con el buzamiento.
El valor de A+B = 46 significa que, para diaclasas de regular condicin
(ligeramente intemperizada y alterada) y un flujo moderado de agua entre 200 y
1000 galones por minuto, la Tabla 3 da una valoracin de C= 16.