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Mecnica de Rocas II 1

CURSO DE GEOMECNICA APLICADA

GRUPO DE GEOMECNICA Y GEOTECNIA MINERA

ASPECTOS GEOTCNICOS DE LA MINERA SUBTERRNEA

CAPITULO N4SISTEMAS DE CLASIFICACIN

GEOTCNICOS

2CURSO DE GEOMECNICA APLICADA


Sistemas de Clasificacin de Macizos Rocosos

1) RQD (Deer, 1989)2) RMR de Laubscher (1990, 1996)3) RMR de Bieniawski (1989)4) Q de Barton (1993)5) GSI de Hoek (1995-2002)

1) Calificar el Macizo Rocoso Nota.2) Escalamiento de Propiedades Geomecnicas3) Estimacin parmetros de diseo.4) Fortificacin Sistemtica

Objetivo y Alcances de los Sistemas de Clasificacin



Frecuencia Lineal de Fracturas (FF) :Parmetro que representa la frecuencia por metro de longitud, en una direccin dada, de todas aquellas estructuras abiertas y/o con rellenos dbiles que presentan una persistencia mayor que 2 m y que al unirse con otras estructuras definen, sobre la superficie de mapeo, polgonos cerrados.

Resulta evidente que la magnitud de este parmetro depende de la direccin en que se mida, por lo que, si no se indica explcitamente la direccin de referencia se considerar que el valor indicado corresponde al valor tpico del macizo rocoso.

CALIFICACIN DEL MACIZO ROCOSO SEGN SU GRADO DE FRACTURAMIENTO

FF (fracturas / m)

Muy Masivo 0 a 2

Masivo 3 a 7

Fracturado 8 a 14

Muy Fracturado 15 a 23

Extremadamente Fracturado 24 o ms



Modo de Clculo del RQD (Deere(1989))

Indice RQD :



Indice RMRBieniawski (1989)



Ejemplos de Macizos Rocosos

RMR = 81 a 100

Clase I - Muy Buena

RMR = 61 a 80

Clase II - Buena

RMR = 41 a 60

Clase III - Media

RMR = 41 a 60

Clase III - Media



Ejemplos de Macizos Rocosos

RMR = 21 a 40

Clase IV - Mala

RMR 21

Clase V Muy Mala



Indice RMRLaubscher (1996)



DESCRIPCION VALOR NOTAS

1. CALIDAD DEL TESTIGO RQD RQD (%)

A. Calidad Muy Mala. 0 - 25 1.

B. Calidad Mala. 25 - 50

C. Calidad Media. 50 - 75

Cuando se obtienen valores del RQD menores o iguales a 10, se utiliza un valor nominal de 10 para evaluar el ndice Q.

D. Calidad Buena. 75 - 90 2.

E. Calidad Excelente. 90 - 100 Los intervalos de 5 unidades para el RQD, poseen suficiente precisin.

2. NDICE DE DIACLASAMIENTO Jn

A. Roca Masiva, sin o con pocas diaclasas. 0.5 . 1.0 1. En intersecciones de tneles use la expresin (3.0 x Jn) B. Una familia de diaclasas. 2 2. En portales de tneles use la expresin (2.0 x Jn) C. Una familia y algunas diaclasas aleatorias. 3 D. Dos familias de diaclasas. 4 E. Dos familias y algunas diaclasas aleatorias. 6 F. Tres familias de diaclasas. 9 G. Tres familias y algunas diaclasas aleatorias. 12 H. 15

Cuatro o ms familias, diaclasas aleatorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc.

J. Roca triturada, de apariencia terrosa. 20

3. NDICE DE RUGOSIDAD DE DISCONTINUIDADES Jr

a. Contacto entre los planos de la discontinuidad 1.

b.

Contacto entre los planos de la discontinuidad antes de 10 cm de desplazamiento por corte.

Aumentar en una unidad (1.0) el ndice Jr si el espaciamiento de las discontinuidades relevantes es superior a 3.0 m.

A. Diaclasas discontinuas. 4 2.

B. Diaclasas onduladas, rugosas e irregulares. 3

C. Diaclasas onduladas, lisas. 2

D. Diaclasas onduladas, perfectamente lisas. 1.5

En el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que presenten alineaciones orientadas en relacin a la direccin de mnima resistencia, se puede utilizar el valor Jr = 0.5.

E. Diaclasas planas, rugosas o irregulares. 1.5 F. Diaclasas planas, lisas. 1.0 G. Diaclasas planas, perfectamente lisas. 0.5 c.

No existe contacto entre los planos de la discontinuidad cuando se produce el corte.

H. 1.0

Zona que contiene minerales arcillosos con un espesor suficiente que no permite contacto entre las caras de la discontinuidad.

J. 1.0

Zonas arenosas, de gravas o triturada con un espesor suficiente para impedir el contacto entre las caras de la discontinuidad.

Clasificacin de los Parmetros utilizados en la obtencin del ndice Q (Despus de Barton et al., 1974).

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4. NDICE DE ALTERACION DE DISCONTINUIDADES Ja r (aprx.) a. Contacto entre los planos de la discontinuidad 1.

A. 0.75 - - -

Discontinuidad cerrada, dura, sin reblandecimiento, con relleno impermeable.

B. 1.0 25 - 35

Planos de discontinuidades inalterados, superficies solamente manchadas.

Los valores de r , ngulo de friccin residual, estn intencionalmente como una gua aproximada a las propiedades mineralgicas de los productos de alteracin, si existen.

C. 2.0 25 - 30

2.

Planos de discontinuidades ligeramente alterados, conteniendo minerales no reblandecibles, partculas Arenosas, roca desintegrada, libre de arcilla, etc.

D. 3.0 20 25

Recubrimientos de arcillas limosas o arenosas, con pequeas fracciones de arcillas (no blandas).

E. 4.0 8 - 16

Recubrimientos de arcillas blandas o de baja friccin (caolinita o mica). Tambin clorita, talco, yeso, grafito y pequeas cantidades de arcillas expansivas.

Los valores expresados para los parmetros Jr y Ja se aplican a las familias de discontinuidades que son menos favorables con relacin a la estabilidad, tanto por la orientacin de las mismas como por su resistencia al corte (sta puede evaluarse mediante la expresin: T ? n x tan-1(Jr/Jn)).

b.

Contacto entre los planos de la discontinuidad antes de un desplazamiento por corte de 10 cm.

F. 4.0 25 - 30

Partculas arenosas, roca desintegrada libre de Arcillas, etc.

G. 6.0 16 - 24

Fuertemente consolidados, con rellenos de minerales no blandos (continuos, con espesores inferiores a 5 mm).

H. 8.0 - 12.0 12 - 16

Sobreconsolidacin media o baja, con reblandecimiento, rellenos de minerales arcillosos minerales no blandos (continuos, con espesores inferiores a 5 mm).

J. 8.0 - 12.0 6 - 12

Rellenos de arcillas expansivas, como montmorillonitas (continuos, con espesores inferiores a 5 mm). El valor de Ja depende del porcentaje de partculas con tamaos similares a los de las arcillas expansivas.

c.

Sin contacto entre los planos de las discontinuidades cuando se ha producido el corte.

K. 6.0, 8.0 6 - 24

8.0 - 12.0

Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y arcillas (ver clases G, H y J para la descripcin de las condiciones de las arcillas).

L. 5.0 - - -

Zonas o bandas de arcillas limosas o arenosas, con pequeas fracciones de arcillas no reblandecientes.

M. 10, 13 6 - 24

13 - 20

Zonas o bandas continuas de arcilla, de mayor Espesor (ver clases G, H y J, para la descripcin de Las condiciones de las arcillas).

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5. FACTOR DE REDUCCIN POR ACCIN DE AGUAS JW Presin de Agua (Kgf/cm2) (aprx.)

A. 1.0 < 1.0

Excavaciones secas o pequeas afluencias Inferiores a 5 l/min, de forma localizada. 1.

B. 0.66 1.0 - 2.5

Afluencia o presin medias, con lavado ocasional deLos rellenos de las discontinuidades

C. 0.5 2.5 - 10.0

Los valores de las clases C, D, E y F son estimativos. Si se incorporan medidas de drenaje puede incrementarse el valor de Jw.

Afluencia importante o alta presin en rocas Competentes con discontinuidades sin relleno.

D. 0.33 2.5 - 10.0 2.

Afluencia Importante o presin alta, lo que produce un lavado considerable de los rellenos.

E. > 10 0.2 - 0.1

No se han considerado problemas especiales causados por la formacin de hielo

Afluencia excepcionalmente alta o presin elevada en el momento de realizar las tronaduras, decreciendo con el tiempo.

F. > 10 0.1 - 0.05

Afluencia excepcionalmente alta o presin elevada de carcter persistente, sin disminucin apreciable.

6. FACTOR DE REDUCCIN DE ESFUERZOS SRF

a.

Zonas dbiles intersectan la excavacin del tnel, lo que producira desprendimientos de roca en la medida que la excavacin avanza

A. 10 1.

Mltiples zonas dbiles con contenidos de arcilla o roca qumicamente desintegrada, mucho desprendimiento de roca en los lmites de la excavacin (a cualquier profundidad).

B. 5.0

Zonas dbiles aisladas con contenidos de arcilla o roca qumicamente desintegrada (profundidad de la excavacin 50 m).

Si las zonas de corte relevantes solo ejercen cierta influencia pero no intersectan a la excavacin, se reducen los valores del SRF entre un 25 - 50%

C. 2.5

Zonas dbiles aisladas con contenidos de arcilla o roca qumicamente desintegrada (profundidad de la excavacin > 50 m).

D. 7.5

Mltiples zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), prdida de roca en las inmediaciones de la excavacin (a cualquier profundidad)

E. 5.0

Zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), (profundidades de la excavacin < 50 m).

F. 2.5

Zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), (profundidades de la excavacin > 50 m).

G. Prdida de estructuras abiertas, fuertemente fracturado o en terrones, (a cualquier profundidad).

5.0

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6. FACTOR DE REDUCCIN DE ESFUERZOS SRF

b. c / 1 t 1 2.

Rocas competentes, problemas de concentracin de esfuerzos.

H. > 200 >13 2.5

Bajos niveles de esfuerzos, cercano a Superficie.

J. Niveles medios de esfuerzos. 200 - 10 13 - 0.66 1.0

K. 10 - 5.0 0.66 - 0.33 0.5 - 2.0

Altos niveles de esfuerzos, estructura muy compacta, (usualmente favorable a la estabilidad de las paredes).

L. Leves estallidos de roca (roca masiva). 5.0 - 2.5 0.33 - 0.16 5.0 - 10

M. Severos estallidos de roca (roca masiva). < 2.5 < 0.16 10 - 20

c.

Para campos de esfuerzos in situ altamentre anisotrpicos (si son

Medidos); cuando 51/310, se reduce c y t a un 80% de su valor, es decir 0.8c y 0.8t respectivamente. Cuando 1/3>10, se reduce c y t a un 60% de su valor.; donde c es la resistencia en compresin simple, t es la resistencia a la traccin y 1 y 3 son los esfuerzos principales mayor y menor respectivamente.

Rocas deformables, flujo plstico de roca no competente sometida a altas presiones litostticas. 3.

N. Leves presiones de deformacin 5 - 10

O Severas presiones de deformacin 10 - 20

d.

Rocas expansivas, actividad expansiva qumica dependiendo de la presencia de agua.

P. Leves presiones de expansin. 5 - 10

En algunos casos registrados en que la profundidad de la corona bajo la superficie sea menor que el ancho de la excavacin, se sugiere aumentar el valor del factor SRF entre 2.5 a 5.0 para cada caso (vase clase H).

R. Severas presiones de expansin. 10 - 15

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NOTAS ADICIONALES RESPECTO AL USO DE ESTAS TABLAS

Cuando se hagan estimaciones de la calidad del macizo rocoso a travs del ndice Q, los siguientes puntos pueden ser seguidos como gua de manera adicional a las notas presentadas en las tablas anteriores:

1.

Cuando los testigos de los sondajes no se encuentren disponibles, el ndice RQD puede ser estimado a partir del nmero de discontinuidades por unidad de volumen, en que el nmero de discontinuidades por metro son aadidas para cada grupo de discontinuidades. Una simple relacin puede ser utilizada para convertir este nmero al ndice RQD para el caso de macizos rocosos libres de arcillas, sta es : RQD = 115 3.3 Jv (aprx.); donde Jv corresponde al nmero de total de discontinuidades por m3 (0 < RQD < 100 para 35 > Jv > 4.5).

2.

El parmetro Jn representa el nmero de sistemas de discontinuidades que a menudo se vern afectados por foliacin, esquistocidad, planos de Clivaje o estratificaciones, etc. Si alguno de estos patrones se encuentra fuertemente desarrollado., estas discontinuidades paralelas se deberan contar obviamente como un sistema de discontinuidades en su totalidad. Sin embargo, si hay pocas discontinuidades visibles, o si solo se encuentran quiebres ocacionales en el testigo del sondaje debido a esas fracturas, entonces ser ms apropiado contarlas como discontinuidades aleatorias cuando se evale el parmetro Jn.

3.

Los parmetros Jr y Ja (que representan la resistencia al corte) deberan ser ms relevantes en sistemas de discontinuidades ms dbiles o con rellenos de arcilla. Sin embargo, si la discontinuidad o el sistema de discontinuidades con el mnimo valor de Jr/Ja est favorablemente orientado en relacin a la estabilidad, entonces una segunda discontinuidad o sistema de discontinuidades con una orientacin menos favorable puede a veces ser ms significativo, y el mayor valor de Jr/Ja puede ser usado cuando se evale el ndice Q. El valor de Jr/Ja debe, en efecto, relacionarse con a la superficie ms probable que permita iniciar la falla.

4.

Cuando el macizo rocoso contenga arcillas, el factor SRF apropiado para las prdidas de carga debera ser evaluado. En tales casos la resistencia de la roca intacta es de poco inters. Sin embargo, cuando el fracturamiento es mnimo y la arcilla est completamente ausente, la resistencia de la roca intacta puede llegar a ser el nexo ms dbil, y la estabilidad depender entonces de la razn entre los esfuerzos y la resistencia de la roca. Un campo de esfuerzos altamente anisotrpicos es muy desfavorable para la estabilidad y est comentado en la nota 2 de la tabla para la evaluacin del factor de reduccin de esfuerzos.

5.

Las resistencias a la compresin y traccin (c y t) de la roca intacta deberan evaluar en la condicin saturada si esto es apropiado para representar condiciones in situ presentes y futuras. Una estimacin muy conservadora de la resistencia puede ser hecha para esas rocas que se deterioran cuando se exponen a la humedad o condiciones saturadas.

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En relacin al valor del ndice Q para la estabilidad y requerimientos de soporte de excavaciones subterrneas, Barton et al. (1974) definieron un parmetro adicional el cual fue llamado Dimensin Equivalente, De, de la excavacin. Esta dimensin es obtenida dividiendo el tramo sin fortificacin (span), dimetro o altura de la pared de la excavacin por una cantidad denominada Razn de Soporte de la Excavacin, ESR

ESR Excavacin la de Soporte de Razn(m) Excavacin la de altura o dimetro (span), soporte sin Tramo

eD =

El valor de ESR est relacionado para el uso intencional del grado de seguridad que es demandado por el sistema de soporte instalado para mantener la estabilidad de la excavacin. Barton et al. (1974) sugieren los siguientes valores:

Categora de la Excavacin ESR A Aperturas mineras temporales 3 - 5 B 1.6

Aperturas mineras permanentes, tneles de alimentacin de aguas para plantas hidroelctricas (excluyendo las compuertas de alta presin), tneles pilotos, socavones y avances de grandes excavaciones.

C 1.3

Cmaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, tneles de carretera y ferrocarril, cmaras de agua, tneles de acceso

D 1.0

Estaciones de poder, tneles de carretera y ferrocarril mayores, cmaras de Defensa civil, interseccin de portales.

E 0.8

Plantas de poder de estaciones nucleares subterrneas, estaciones de ferrocarril, recintos deportivos y pblicos, fbricas

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T

R

A

M

O

S

I

N

F

O

R

T

I

F

I

C

A

C

I

N

O

A

L

T

U

R

A

(

m

)

E

S

R

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

1

10

100

2

5

20

50

20

10

7

5

3

2.4

1.5

Jn Ja SRF

CLASES DE ROCA

G F DE C B A

EXCEPCIONALMENTE

MALA

EXTREMADAMENTE

MALA

MUY

MALA

MALA MEDIA MUY

BUENA

EXTREM.

BUENA

EXCEP.

BUENA

BUENA

250 m

m

150

mm

120

mm

90 m

m 50 m

m

40 m

m

1.0 m

1.3 m

1.5 m

2.0 m

3.0 m

4.0 m

0.04 0.4 4 40 400

Espacia

miento

entre

pernos

en re

as sin

shotcre

te

Espaciamient

o entre perno

s en reas

con shotcrete

1.0 m

1.2 m1.3 m

1.5 m2.1 m

2.3 m2.5 m

(9) CCA

(8)RRS

(7)S(fr)

(6) S(fr)

(5) S(fr)

(4) B+(S)

(3)B

(2) sb (1)

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO Q = RQD X Jr X Jw

L

O

N

G

I

T

U

D

D

E

P

E

R

N

O

S

(

m

)

P

A

R

A

E

S

R

=

1

CATEGORAS DE FORTIFICACIN 1. Sin Fortificacin 6. Shotcrete con Fibras, 90 - 120 mm y Pernos, S(fr) + B 2. Pernos Puntuales, sb 7. Shotcrete con Fibras, 120 150 120 mm y Pernos, S(fr) + B 3. Pernos Sistemticos, B 8. Shotcrete con Fibras, > 150 mm con Pernos y Marcos Reforzados con Shotcrete, 4. Pernos Sistemticos con Shotcrete, 40 - 100 mm, B+S S(fr) + RRS + B 5. Shotcrete con Fibras, 50 - 90 mm y Pernos, S(fr) + B 9. Revestimiento de Hormign, CCA Figura 1.1: Categoras de Soporte basadas en el ndice de Calidad Tunelera Q (despus de Grimstad y Barton, 1993)

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