VALORACION DEL MACISO ROCOSOPOR EL METODO DE BARTON

(INDICE Q)

INTRODUCCION:En los últimos años ha sido el boom de la ingeniería subterránea, siendo el rasgo característico, su diversificación, se puede decir sin exageración, que se está viviendo la era de los túneles y construcciones subterráneas multipropósito, muestra de ello son los grandes túneles como los que se proyectan bajo los Alpes, y que dejarán pequeños a los túneles actuales o el túnel submarino del Seikán con 54 km de longitud, las autopistas subterráneas de circunvalación de grandes ciudades como los de la Bahía de Tokio, París o las Artery Tunnel de Boston. Pero hoy no se trata sólo de concebir obras lineales, como estas, sino también de construir amplios espacios subterráneos e inmensas cavernas de propósitos diversos; bien de carácter lúdico, como el urbanismo subterráneo, bien con función de depósito y almacenamiento, tanto de combustible, alimentos, residuales, plantas, hidroeléctricas, potabilizadoras, refugios, etcétera. En la actualidad, las nuevas tecnologías abren inmensas posibilidades a la construcción de túneles y obras subterráneas. Esta realidad ya en nuestros días se proyecta hacia el futuro como una tendencia que apunta hacia mejoras en los rendimientos y en la seguridad de los trabajos. Las obras subterráneas tienen un inmenso futuro, que ya es realidad en muchos lugares del mundo.

OBJETIVOS EPECIFICOS:

1. Realizar el estudio ingeniero – geológico de los macizos rocosos.

2. Determinar los parámetros geomecánicos de los macizos estudiados.

ESTADO ACTUAL DE LA PROBLEMÁTICA Y METODOLOGÍADE INVESTIGACIÓN

Estado actual de la problemáticaLa geomecánica es quizás una de las ramas tecnológicas más antiguas del universo, los griegos y egipcios en sus construcciones emplearon los macizos rocosos para obras. En las pirámides construidas en Egipto se emplearon bloques de caliza dura. Todas estas fastuosas obras, contaron con excelentes mineros que desarrollaron una amplia gama de construcciones subterráneas y fortificaciones que hoy se observan y conservan en nuestros días.

Sin embargo la geomecánica como ciencia es a fines de los años 50, que hizo su entrada en el hasta entonces, mundo crítico de las obras subterráneas. Históricamente se conoce que el Primer Congreso de Mecánica de Rocas se celebró en Portugal en 1966. (López Jimeno, 1998)

Aún cuando la literatura especializada en estas materias se ha expandido y ha acelerado su desarrollo en todo el mundo, con el empleo tanto de revistas especializadas, como el surgimiento de nuevas técnicas y tecnologías computarizadas.

El estado actual del conocimiento en mecánica de rocas, así como la definición y obtención de parámetros y adopción de modelos que representen el comportamiento real de los macizos rocosos, se encuentran en una fase de desarrollo inferior al de otras ramas de la ingeniería como pueden ser la Mecánica de Suelos, Hidráulica, Resistencia de Materiales, etcétera; bien por la menor antigüedad de la primera, o por una mayor complejidad frente a la simulación del problema real del macizo. (López Jimeno, 1998)Como consecuencia de esto, resulta difícil establecer modelos analíticos del comportamiento del macizo rocoso que sean reflejo fiel de este, cuando se trata de resolver problemas de estabilidad o dimensionamiento de obras a cielo abierto o subterráneas.

La Geomecánica está dando a la construcción de obras subterráneas un creciente soporte científico y técnico que ha encontrando su máximo exponente en la última década, hasta el punto de que hoy en día, la mayoría de los túneles se hacen bajo supervisión de un experto en geotecnia. Siendo uno de los objetivos, caracterizar geomecánicamente los macizos, constituyendo esto el estudio integral del macizo en cuestión, que incluye tanto el modelo geológico, como el geomecánico, abarcando aspectos tales como, estructura del macizo, litología, contactos y distribución de litologías, geomorfología, cartografía geológica, estudio hidrogeológico, levantamiento de discontinuidades, técnicas geofísicas, sondeos, ensayos in situ, de laboratorio, clasificaciones geomecánicas, entre otros. Convirtiéndose la caracterización geomecánica de los macizos rocosos en una herramienta indispensable para pronosticar su comportamiento.

Una parte importante de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos, lo constituyen sin dudas, las clasificaciones geomecánicas, que

surgieron de la necesidad de parametrizar observaciones y datos empíricos, de forma integrada, para evaluar las medidas de sostenimiento en túneles.

DEFINICIÓN DE UN MACIZO ROCOSOUn macizo rocoso es el resultado de bloques de roca intactos que se encuentran juntos en un macizo en forma de bloque. La resistencia y comportamiento de todo el macizo rocoso está controlado por el material de roca intacta en combinación con la frecuencia y características de los planos de debilidad.

Un macizo rocoso puede estar conformado por más de un dominio. Un dominio geotécnico es una zona dentro del macizo rocoso que contiene propiedades similares, y cada dominio tendrá una estructura geológica. Es necesario identificar la variedad de dominios y estructuras geotécnicas dentro de un macizo rocoso. Las características de un dominio geotécnico incluyen:

• Características geotécnicas similares de los planos de debilidad- particularmente orientación, espaciado y propiedades de resistencia cortante.

• Grado de meteorización y/o alteración.

• Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta.

• Módulo de deformación del macizo rocoso.

• Esfuerzo de la roca en campo (pre-minado y esfuerzo inducido en campo).

• Permeabilidad del macizo rocoso.

De las anteriores propiedades, los planos de debilidad, el grado de meteorización/alteración, y la resistencia pueden ser evaluados en un grado razonable de confiabilidad a través de una investigación de campo estándar que involucra el registro de testigos o mapeo. Los ensayos de campo o laboratorio son necesarios para definir la resistencia, módulo de deformación, esfuerzo de la roca en campo y permeabilidad del macizo rocoso.

ESTUDIO INGENIERO GEOLÓGICO DE LOS MACIZOS ROCOSOSSe efectúa el estudio y valoración general de las principales características ingeniero geológicas de los macizos rocosos donde se encuentran enclavadas las obras de estudio; que incluye un breve análisis de las particularidades geológicas, hidrogeológicas y tectónicas del macizo rocosos, se determinan las principales formas de pérdidas de estabilidad que se manifiestan en los mismos, se ofrecen las principales propiedades físico – mecánicas de las rocas; se realiza además el estudio de las principales características del agrietamiento y la valoración de la estabilidad de los macizos rocosos por las metodologías de Deere (1963), Barton (1974) y Beniawski. (1979).

CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DE LOS MACIZOS ROCOSOS

La cuantificación de los parámetros de resistencia y deformacionales, que gobiernan el comportamiento tenso – deformacional de cualquier excavación, es uno de los principales problemas que enfrenta la mecánica de rocas, el modelo geomecánico del macizo, constituye, una herramienta para estimar este comportamiento, sobre la base de que el mismo, parte de los aspectos netamente geológicos, incorporando todos los parámetros físicos, resistentes y deformacionales del macizo rocoso involucrado. Cuanto más parámetros se logren incorporar, más representativo será el modelo geomecánico, del comportamiento real del macizo.

Es conveniente aclarar que el modelo geomecánico no es una propiedad del macizo rocoso como tal, sino una representación de su estado y comportamiento en un momento dado. Que facilita el estudio del macizo para determinadas condiciones. A partir del análisis de las propiedades ingeniero geológicas y de las características mecánico – estructurales del macizo; teniendo en cuenta las características e intensidad de agrietamiento, el grado de bloquisidad del macizo, las formas de pérdidas de estabilidad que se manifiestan y el mecanismo con que seproducen; el comportamiento, estado actual y grado de deterioro del macizo o sectores de él, se puede estimar cueles son los modelos geomecánicos más representativos en los macizos rocosos estudiados.

CLASIFICACIONES GEOMECANICAS

Las labores mineras subterráneas y superficiales, cuyos componentes sonestructuras complejas; para ejecutar dichas labores mineras, es necesario poseer el máximo conocimiento del macizo rocoso.

Para tener el conocimiento del macizo rocoso hoy en día existen muchasClasificaciones Geomecánicas, como: Protodyakonov, Bieniawski, Laubscherand Taylor, Barton, Romaña, que nos determinarán la calidad del macizo rocoso, cuya finalidad es dividir al macizo rocoso en dominios estructurales,cada uno de ellos tendrán características similares, como: Litología, espaciado de juntas, entre otros. Los límites de un dominio estructural pueden coincidir con rasgos geológicos, tales como fallas o diques.

CLASIFICACION GEOMECANICA DE PROTODYAKONOV CLASIFICACIÓN GEOMECANICA DE BIENIAWSKI CORRECCION DE LAUBSCHER AND TAYLOR CLASIFICACION GEOMECANICA DE BARTON CLASIFICACION GEOMECANICA SMR PARA TALUDES GSI – INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA PROPIEDADES FISICO-MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

CLASIFICACION GEOMECANICA DE BARTON(INDICE Q)

Esta clasificación geomecánica se basa en el índice de calidad “Q” denominado también índice de Calidad tunelera, que da una estimación de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores:

RQD : índice de calidad de las rocasJn : numero de familiasJr : coeficiente de rugosidad de la junta.Ja : coeficiente de alteración de la junta.Jw : coeficiente reductor por la presencia de agua.SRF : factor reductor por tensiones en el macizo rocoso.

INVESTIGACIÓN DEL SITIOLos siguientes son procedimientos para la recolección de las propiedades relevantes del macizo rocoso relacionadas con la investigación del sitio.

RQD Obtenido del Registro de TestigoLa Designación de la Calidad de Roca (Rock Quality Designation - RQD) es un índice cuantitativo que se obtiene del testigo de perforación diamantina. Considera sólo las piezas de testigos de roca dura y sana de 100 mm o mayor longitud. Las de menor longitud son ignoradas. El RQD se calcula de la siguiente manera:

Se deben utilizar testigos de por lo menos 50 mm de diámetro. Si se utilizan testigos de menores o mayores diámetros, la longitud nominal de 100 mm deberá modificarse para que corresponda a dos veces el diámetro del testigo.Es importante distinguir entre las fracturas mecánicas o naturales encontradas en el testigo. Una fractura mecánica causada por la manipulación no debe afectar adversamente el índice de RQD. Los tramos del testigo con fracturas mecánicas deberán aproximarse a una unidad sólida con el fin de llegar a un valor RQD que refleje la calidad del macizo rocoso in situ.

RQD Obtenido del Mapeo de ParedesLa medición del índice de RQD también puede ser adaptada para el mapeo deparedes de discontinuidades. Cuando se realice el mapeo lineal en las paredes de lalabor subterránea, el RQD puede ser evaluado aproximadamente usando la siguienteecuación:

RQD = 115 - 3.3 Jv (aprox.)(RQD = 100; para JV < 4.5)

El conteo volumétrico de discontinuidades “Jv” está definido como la suma del número de discontinuidades por metro cúbico para todas las discontinuidades presentes. El número de discontinuidades de cada conjunto deberá estar contabilizado a distancias apropiadas (e.g., 5 m o 10 m a lo largo de una dirección perpendicular al rumbo del conjunto de discontinuidades.

De manera alternativa, se puede usar el inverso del espaciado verdadero representativo para cada conjunto, de la siguiente manera:

Hay que señalar que se deberá usar el espaciamiento verdadero y no el espaciamiento aparente producido por la intersección oblicua con la pared de roca.Esta medida es válida para macizos rocosos de 3 o más conjuntos de juntas bien desarrolladas.Otro método simple para calcular el RQD consiste en usar una regla graduada de 2 m de largo colocada en la cara de una roca expuesta como se puede apreciar en la(Hutchinson & Diederichs, 1996). Hay que resaltar que se puede usar la misma cinta utilizada para el mapeo lineal. El RQD se calcularía añadiendo la longitud de todos los espacios entre juntas o entre planos de estratificación mayores a 10 cm y dividiéndola entre la longitud de la regla usada. Cuando se hace la estimación delRQD para un macizo rocoso no disturbado, se debe tener cuidado de considerar sólo discontinuidades in situ y no grietas de tensión inducidas y fracturas relacionadas con voladuras. Ignorar cualquier fractura que tenga menos de 0.5 m de longitud. El RQDw es un estimado de la calidad del macizo rocoso post excavación que podría ser un límite inferior para la calidad de la roca local cuando se compara con el RQD obtenido del registro de testigos.

Índice de Sistemas de Juntas (Jn)La categorización según el índice de sistemas de juntas presentes se determina según la Cuadro Nº3. El parámetro “Jn” a menudo se verá afectado por foliación, esquistosidad, clivaje o estratificación. Si se encuentran muy desarrolladas, estas “juntas” paralelas obviamente deberán ser consideradas como un conjunto completo de juntas. Sin embargo, si hay pocas “juntas” visibles, o sólo fracturas ocasionales en el testigo debido a esas características,

entonces sería más apropiado contarlas como “juntas aisladas” cuando se evalúe “Jn”.

Índice de Rugosidad de las Juntas (Jr)El índice de rugosidad promedio de juntas se determina según los valores en la Cuadro Nº4. Cuando la rugosidad de las juntas varía, deberá utilizarse “el peor escenario” del principal conjunto de juntas.

Índice de Alteración de Juntas (Ja)El índice de alteración de juntas se determina según el valor apropiado de la Cuadro Nº5. Se considera tanto la separación entre las superficies de las juntas como el relleno de juntas. Una fractura sin relleno tiene una categorización más baja que una fractura llena y a medida que la alteración se incremente, el “Ja” también aumenta.

Factor de Reducción de Agua en la Juntas (Jw)

Durante el registro de testigos, se desconocen las condiciones de agua en las juntas a menos que se incorpore en el programa una cámara en el sondaje. Si la condición del agua de la junta no se puede determinar directamente, se signa un valor de Jw, como se muestra en la Cuadro Nº6, a la clasificación del macizo rocoso en base a las condiciones calculadas en el subsuelo. Se pueden considerar otras opciones en base al influjo de agua esperada en la excavación. Si es posible, el mapeo subterráneo de las discontinuidades proporcionará una buena indicación in situ de las condiciones del agua en las juntas.

CUADRO NÚMERO 1

Q(rock mass quality) Valoración

0.001 - 0.01 Excepcionalmente mala

0.01 - 0.1 Extremadamente mala

0.1 - 1.0 Muy mala

1.0 - 4 Mala

4 - 10 Regular

10 - 40 Buena

40 - 100 Muy buena

100 - 400 Extremadamente buena

400 - 1000 Excepcionalmente buena

CUADRO NÚMERO 2

CUADRO NÚMERO 3

CUADRO NÚMERO 4

CUADRO NÚMERO 5

CUADRO NÚMERO 6

CUADRO NÚMERO 7

Recomendaciones para el uso de los cuadros:

Cuando la perforación del testigo no es posible, el RQD puede ser estimado del número de juntas por unidad de volúmen, en el cual el número de uniones por metro para cada junta son sumadas. Una simple relación puede ser usada para convertir este número a RQD para el caso de arcilla suelta en macizos rocosos:

RQD = 115 - 3.3 Jv (aprox.), donde Jv =número total de uniones por m3 . (0 < RQD < 100 a 35 > Jv >45).

El parámetro Jn, que representa en número de familia de juntas (fracturas), puede estar afectado por foliación, esquistosidad, clivaje y laminaciones. Si las juntas paralelas tienen suficiente desarrollo, deben contabilizarse como una familia completa. Si hay pocas juntas visibles, roturas ocasionales en los testigos debido a estos planos, se contabilizan como juntas ocasionales al considerar el Jn en la tabla.

Los parámetros Jr y Ja, cuyo cociente representa la resistencia al

esfuerzo cortante, serán los de la familia de juntas o discontinuidad rellena de arcilla, más débil que exista en la roca, además es necesario tener en cuenta la orientación de las familias o discontinuidades, de tal forma que deban ser representativas.

El valor SRF, en el caso de que el macizo rocoso contenga arcilla, en este caso la resistencia de la roca es factor determinante de la estabilidad de la excavación subterránea. Cuando el macizo rocoso no contenga arcilla y el número de Juntas sea pequeño la resistencia de la roca puede convertirse en factor, tal que el cociente de dt/dc, defina la estabilidad de la roca.

En el caso de rocas muy anisotropías, la resistencia compresiva de la roca dc y el esfuerzo a la tracción dt, se evaluarán en la dirección más favorable para la estabilidad.

Los parámetros que definen “Q”, representan el siguiente aspecto:

RQD/Jn : Tamaño de bloques, representa la estructura global del macizo . rocoso. Jr/Ja : Resistencia al corte entre bloques.

Jw/SRF : Estado tensional en el macizo rocoso.

Para relacionar Q índice de calidad tunelera, con el comportamiento de unaexcavación subterránea y con las necesidades de sostenimiento de la misma.Barton Lien y Lunde desarrollaron la relación denominada Dimensión Equivalente “De” de la excavación, esta relación se obtiene de dividir el ancho,diámetro o altura de la excavación por un factor denominado Relación desoporte de la excavación ESR (Excavation Support Ratio).

La relación de soporte de la excavación ESR tiene que ver con el uso que sepretende dar a la excavación y hasta donde se le puede permitir cierto grado deinestabilidad Barton da los siguientes valores supuestos para ESR:

CUADRO NÚMERO 8

La relación entre el Índice de calidad tunelera “Q” y la dimensión equivalente“De” de una excavación, Barton Lien y Lunde, elaboraron una tabla a partir delas cual se puede diagnosticar las necesidades de sostenimiento

CONCLUSIONES:

El índice Q depende del tamaño entre los bloque, resistencia al corte entre los bloques y el estado tensional del macizo rocoso

Para hallar el RQD (calidad de la roca) se necesitaran testigos del macizo rocoso para estos se usara la diamantina.

Los diversos métodos para valorar los macizos rocosos están en programas de computadora.

L

Referencias

Barton, N., 1976, "Recent Experiences With the Q-System of Tunnel Support Design",Proc. Sym. on Exploration for Rock Engineering, Johannesburg.

Barton, N., Lien, R., Lunde, J., 1974, "Engineering Design of Tunnel Support", RockMech. Vol. 6, No. 4.

Barton, N., Loset, F., Lien, R., and Lunde, J., 1980, “Applications of the Q-System inDesign Decisions”. In Subsurface Space, (ed. M. Bergman) 2, 553-561, NewYork: Pergamon.