clase 5 6 upn (3)

Sistemas de clasificación del macizo rocosoClases 5 y 6

Mecánica de rocas 1

¿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?

Caracterizar luego clasificar

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.

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)

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.

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.

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.

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

Caracterización del macizo rocoso

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

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

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:

RQD

1.0* e11.0100RQD

RQD

Tabla de clasificación:

RQD (%) Calidad de la Roca

<25 Muy mala25 – 50 Mala50 – 75 Regular75 – 90 Buena90 – 100 Muy buena

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

Rock mass rating (RMR)

Tabla RMR (1989)

Tabla RMR (1989) (cont.)

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

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.

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

RMR: Aplicación – tiempo de auto soporte

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.

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.

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

RQDQ w

a

r

n

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.

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.

Indice Q - Jn

Indice Q - Jr

Indice Q - SRF

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:

Indice Q - Tablas

Indice Q – Tablas (cont.)

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.


● 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.


● Usando estos valores tenemos:

5.4151

13

490

xxQ 5.4151

13

490 xxQ

Indice Q – Requerimiento de sostenimiento

● Dimension Equivalente (De)

● Equivalente Suport Ratio (ESR)

– Relacionado al uso de la excavacion.


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.

Figura 3: Categorías de sostenimiento estimadas, basadas en el índice de calidad tunelera Q (Según Grimstad y Barton, 1993)


● 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:

●


● 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

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.

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

3.81

1*

1

5.1*

9

50Q

207.11

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 juntas421 3 6 8

Rango del Indice Q

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.

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

Predicción del módulo de deformación in situ Em a partir de las clasificaciones de la masa rocosa

(RMR - 10) / 40

Valoración geomecánica de la masa rocosa RMR

Em = 10

Mód

ulo

de d

efor

mac

ión

in s

itu E

m -

GPa casos históricos:

80

00

10

20

30

40

50

70

60

402010 30 6050 70

Serafín y Pereira (1983)

Em = 2 RMR - 100

Em = 25 Log Q

Bieniawski (1978)

0.0190

Indice de calidad tunelera Q0.04 1.00 4.00 10 40

80 90 100

100 400

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.

clase 5 6 upn (3)

Data & Analytics