presentación - curso geotecnia

Diplomado Técnicas Modernas en

Excavación de Túneles

“Curso de Geotecnia

para Túneles”

Relator: Andrea RussoGeólogo Ph. D.

Introducción

Los objetivos de este curso son:

• Conocer los conceptos sobre los cuales se basan los sistemas declasificación geotécnicos del macizo rocoso.

• Conocer los campos de aplicación de los diferentes métodos.

• Conocer los parámetros a levantar requeridos para los sistemas de clasificación.

• Usos de los índices de clasificación en la geomecánica.

• Tipos e interpretación de los ensayos geomecánico de laboratorio.

Unidad Geotécnica

La definición de Unidades geotécnicas se obtiene de la superposición de los principales elementos geológicos como:

• Litología• Alteración• Dominios Estructurales• Tipo de mena

La superposición de estos elementos permite definir un volumen de roca que posee una calidad relativamente homogénea.

Interpretación de Unidades Geotécnicas

ENSAYOS GEOMECÁNICOS

INTRODUCCIÓN

Los ensayos geomecánicos son tests realizados en laboratorio aplicados sobre muestras representativas de la “roca intacta”.

Permiten determinar las propiedades físicas y mecánicas del volumen de roca ensayado.

Existen ensayos geomecánicos destructivos y no destructivos.

ENSAYOS GEOMECÁNICOS

Los ensayos geomecánicos son tests realizados en laboratorio aplicados sobre muestras representativas de la “roca intacta”.

Permiten determinar las propiedades físicas y mecánicas del volumen de roca ensayado.

Existen ensayos geomecánicos destructivos y no destructivos.

Ensayos no destructivos

Entre los ensayos geomecánicos no destructivos se cuentan los siguientes:

• Peso Específico (método geométrico)

• Peso Específico (método por inmersión)

• Porosidad

• Velocidad de Ondas P y S (VP y Vs)

• Módulos Elásticos Dinámicos• Módulos Elásticos Estáticos con LVDT o strain gauge

METODOLOGÍA PARA REALIZAR ENSAYOS GEOTÉCNICOS

Decisión dehacer ensayos

Elección de Laboratorio y

tipos de ensayosDefinir áreade muestreo





Toma demuestras

TOMA DE MUESTRAS





Toma demuestras

Selección demuestras

SELECCIÓN DE MUESTRAS EN BODEGA DE SONDAJES





Toma demuestras

Selección demuestras

Embalajey envío demuestras

Realización de ensayos

REALIZACIÓN DE ENSAYOS - LABORATORIOExtracción de probetas

A partir de sondajes A partir de colpas

Taladro Hilti. Saca testigos de 4” y 6 ”

REALIZACIÓN DE ENSAYOS - LABORATORIOSierra cortadora de testigos

φ = 60 mm ⇒ 9 muestras φ = 44, 47 mm ⇒16 muestras

REALIZACIÓN DE ENSAYOS - LABORATORIOMáquina rectificadora de muestras

REALIZACIÓN DE ENSAYOS - LABORATORIOMáquina para chequear el paralelismo de las bases de la probeta

Diferencia lectura máxima al rotar probeta <= 0.001”

REALIZACIÓN DE ENSAYOS - LABORATORIOProbetas rotuladas, listas para ser ensayadas

Ensayos destructivos

Entre los ensayos geomecánicos destructivos los más utilizados son:

• Resistencia a la Compresión Uniaxial Simple (UCS)• Resistencia a la Compresión Triaxial• Resistencia a la Tracción (directa o indirecta)• Cizalle con celda Hoek

Criterio de falla de Mohr-Coulomb

τ = c + σntgφ

Criterio de falla de Hoek-Brown

σ’1 = σ’3 + σci miσ’3σ’ci

+ s0,5

Las presiones de confinamiento a utilizarse durante los ensayos triaxiales se definen de acuerdo a la siguiente tabla.

Validación de los resultados

Los resultados obtenidos a partir de los ensayos geomecánicos de laboratorio necesitan ser validados. No todos los resultados podrán ser utilizados para la estimación de las propiedades de la roca intacta.

¿qué entendemos por roca intacta?

Volumen de roca de tamaño pequeño y que incluya todos los componentes de la roca considerada, pero sin mostrar irregularidades ni defectos tales que influyan la cinemática de su ruptura.Un volumen pequeño corresponde a una probeta típica de laboratorio, o sea del orden de 1,5x10-4 m3 (probeta de 42 mm de diámetro y 84 mm de alto).(I Taller Geotécnico Interdivisional Codelco-Chile, 1997)

Para validar los resultados es necesario analizar los tipos de rupturas de las probetas

Validación de los resultados

Tipos de rupturas - Tipo A

Pre ensayo Post ensayo Esquema representativo

Tipos de rupturas - Tipo B


Tipos de rupturas - Tipo C


Tipos de rupturas - Tipo D


Tipos de rupturas - Tipo E

Pre ensayo Post ensayo

Estimación de las propiedades

Se consideran válidos los resultados obtenidos a partir de las rupturas A, B y C. Las A y B porque son representativas de la roca intacta; la C representa la resistencia de la roca con stockwork, una característica inherente a estos tipos de macizos rocosos.

En el caso de la ruptura tipo D, el esfuerzo medido representa la resistencia ofrecida por la vetilla, por lo tanto no puede ser considerado representativo de la roca intacta.

En el caso tipo E, pueden presentarse rupturas y/o valores de resistencia francamente anómalos. Esto se debe a problemas intrínsecos del material ensayado o a defectos del ensayo.


Para el calculo de las propiedades índice como densidad, porosidad y velocidades de ondas y módulos elásticos dinámicos se utilizarán todos los resultados obtenidos, dado que no dependen del tipo de ruptura.

Par el calculo del UCS, de los parámetros de Hoek& Brown, de la resistencia a la tracción y de los módulos elásticos estáticos, se utilizarán solo los resultados validados o sea obtenidos por rupturas tipo A, B y C.

Para cada parámetro, mediante una planilla Excel, se calculará el valor mínimo, máximo, el promedio, la mediana, el coeficiente de variación y la desviación estándar.

Para la estimación de la densidad, porosidad y velocidades de ondas es necesario tener mínimo 10 valores, para UCS y Tracción mínimo 10 resultados válidos y para los triaxiales mínimo 5 resultados para cada presión de confinamiento.


Los resultados obtenidos para el UCS y la Ti de probetas de un determinado diámetro necesitan ser normalizados para probetas de 50mm.

Para el UCS se utiliza la siguiente formula:

Para la Ti se utiliza la siguiente formula:


Para la estimación del mi y σci mediante los ensayos triaxiales se recomienda ingresar el promedio del UCS tanta veces como la cantidad de valores obtenidos para cada rango de confinamiento.

Todos los valores utilizados para el calculo de los parámetros deberán ser obtenidos de probetas del mismo diámetro.

A. A. KarzulovicKarzulovic & Asoc. Ltda.& Asoc. Ltda.

Dic. 1999Dic. 1999 EL EFECTO DE ESCALA EN GEOMECANICAEL EFECTO DE ESCALA EN GEOMECANICA

50 m

30 m

30 m5

100 m

100 m

150 m

7

15 m15 m

8 m

4


Para la estimación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso es necesario escalar las propiedades desde el volumen de la roca intacta al volumen del macizo rocoso. Para realizar este escalamiento se utiliza la metodología propuesta por Hoek & Brown basada en la siguiente formula:

σ’1 = σ’3 + σci mbσ’3σ’ci

+ sa

donde mb = mi exp GSI - 10028 - 14D

s = exp GSI - 1009 - 3D

e-GSI/15 - e-20/3a =12

+16

La resistencia a la compresión y a la tracción del macizo rocoso será dada por:

σc = σcisa σt = -sσcimb


Para estimar el módulo de Young del macizo rocoso se utiliza la siguiente formula para rocas con un σci< 100 MPa:

Para rocas con un σci> 100 MPa se utilizará la siguiente formula:


Para estimar la cohesión y el ángulo de fricción interno del macizo rocoso de acuerdo al criterio de Mohr-Coulomb, se utilizarán las siguientes formulas:

Usos de las propiedades geomecánicas

A continuación se indican algunos usos de las propiedades geomecánicas.

Compresión Uniaxial Simple y TracciónSistemas de clasificaciones geotécnicasEstimación daños por tronaduraPara estimar un índice de AbrasividadModelos numéricos

Módulos Elásticos EstáticosModelos numéricos

Peso Unitario (densidad)Análisis de cuñasGeoestadística (estimación de reservas)

PorosidadHidrogeología

Compresión TriaxialCriterio de falla de Hoek & Brown (escalamiento)

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICAEn la actualidad los procedimientos para realizar el diseño estable de una cavidad subterránea se sustentan con los métodos analíticos, geológicos y empíricos.

Los métodos analíticos utilizan softwares que realizan simulaciones de la realidad, pero son métodos complejos y de costo relativamente elevado.

Los métodos geológicos se utilizan con más frecuencia, pero debido a su carácter cualitativo necesitan de otras herramientas que lo complementen.

Los métodos empíricos se basan en las clasificaciones geotécnicas, que representan el procedimiento de diseño más utilizado por su facilidad de comprensión y aplicación, economía y rapidez.

El propósito de las clasificaciones geotécnicas es evaluar las propiedades de los macizos rocosos para poder determinar la calidad de la roca con fines muy diversos: desde la elección del tipo de fortificación, sistema de excavación, hasta la determinación de la fragmentación de la roca frente a voladura, caving, etc.

De Mecánica de rocas aplicada a la minería metálica subterránea. Instituto Tecnológico GeoMinero de España

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

Las clasificaciones geotécnicas constan de dos partes:

En la primera se define un índice numérico que caracteriza la calidad de la roca a partir de observaciones in situ y de ensayos de laboratorio.

En la segunda se propone un tipo de fortificación de la excavación en función del índice de calidad y en base a experiencia previas.

Debido a que estos sistemas de clasificación no son muy precisos deben ser aplicado con cautela y se recomienda hacer un seguimiento en terreno del comportamiento de la fortificación.

Las clasificaciones geotécnicas no sustituyen a los métodos analíticos, pero en mucho proyectos mineros y minas siguen representando el procedimiento de diseño en forma sistemáticas.


Sistemas de clasificación historicos

Existen diferentes sistemas de clasificación, que han sido desarrollados por diferentes Autores en distinta época.

Entre los sistemas de clasificación históricos se pueden mencionar los siguientes:

Clasificación de Terzaghi (1946)

Clasificación de Protodyakonov (de Szechy, 1967)

Clasificación de Lauffer (1958)

Clasificación de Deere (1966)

Clasificación de Merrit (1972)

Clasificación de Louis (1974)


Clasificación de TerzaghiLa primera clasificación fue debida a Terzaghi (1946), fue desarrollada a partir de la experiencia de túneles de ferrocarril revestidos con marcos de acero. El objetivo es determinar el tipo de marco más adecuado para un túnel dependiendo de su geometría.

Estima la carga sobre la fortificación dependiendo del ancho y alto del túnel, define 9 tipos de macizos rocosos, cada una con un tipo de carga sobre la fortificación. Considera además el efecto de la estratificación respecto al túnel.

Para estimar la fortificación considera que sobre la bóveda del túnel existe una presión vertical uniforme de valor γH, donde γ es la densidad de la roca y H es el alto del túnel.La presión sobre los hastíales se considera uniforme y es un tercio de la vertical. La presión sobre el piso se considera la mitad de la presión vertical.

Esta clasificación ha dado buenos resultados para túneles de diámetro inferior a 9m, pero ha resultado ser muy conservadora en rocas de buena calidad y sus resultados no son confiables en terrenos con comportamiento plástico o expansivo.


Clasificación de ProtodyakonovAl igual que la de Terzaghi, esta clasificación encontró su aplicación en el dimensionado de la fortificación par túneles.

Los terrenos se clasifican a partir del coeficiente de resistencia f, cuyo valor es la décima parte de la resistencia a la compresión simple de la roca.

Conocido el valor de f y las dimensiones del túnel se calculan las cargas sobre la fortificación, suponiendo que las cargas son uniformes en techo y hastíales.

La presión vertical será igual a γh con h = W/2 x f

h y W representan el alto y el ancho del túnel

La presión lateral será igual a pl = γ(h+0,5m)* tg2(45 + φ/2)

φ = ángulo de fricción interno de la rocam = es la relación entre las tensiones horizontales y verticales


Clasificación de Lauffer

Lauffer (1958) propuso una clasificación en la cual se consideraba el tiempo de mantenimiento de una longitud de túnel sin fortificar y definió el vano crítico como la menor de las dos dimensiones, diámetro o longitud de un túnel que se mantiene estable sin fortificación.

En función del tiempo de mantenimiento y del vano crítico, Lauffer clasificó los macizos rocosos en 7 categorías, a cada una de las cuales correspondía un tipo de fortificación.

Esta clasificación fue abandonada por la dificultad de determinar el tiempo en que se mantenía estable el terreno sin sostenimiento y el vano critico.


Clasificación de DeereDeere (1966) propuso un sistema de diseño de fortificación basado en el denominado RQD. Este parámetro se obtiene a partir del porcentaje de testigo mayor de 10cm recuperado de sondajes, permitiendo estimar el grado de fracturación del macizo rocoso.

Clasificación de Deere

El RQD hay que tomarlo con la debidas precauciones, ya que su valor además de depender de la calidad de la roca, es función de otros factores, como la mecánica del sondaje, la orientación de las estructuras respecto al sondaje, etc.

Si hay que estimar el RQD a partir de afloramientos se utiliza la formula propuesta Palmstrom (1974)

RQD = 115 - 3,3 x Jv

Donde Jv representa el número de fracturas por metro cúbico.

Clasificación de MerritLa clasificación de Merrit (1972) define la fortificación del túnel en función del RQD y del ancho del túnel.

Clasificación de Louis

En la clasificación de Louis (1974) se clasifican los macizos rocosos en función de los bloques del macizo, del esfuerzo natural mayor y del diámetro de la excavación.

La resistencia de la roca se expresa mediante la compresión simple o la carga puntual o el martillo de Schmidt.

El espaciamiento de las fracturas indican el diámetro de un bloque típico del macizo rocoso.

Dependiendo del valor de la resistencia de la roca y del espaciamiento de las fracturas y considerando los esfuerzos in situ y el diámetro de la excavación se puede prever el comportamiento del macizo rocoso y proponer un tipo de fortificación.

Sistemas de clasificación modernos

Los sistemas de clasificación modernos están representados por:

•• ClasificaciClasificacióón de n de BartonBarton, , LienLien y y LundeLunde (1974)(1974)

•• ClasificaciClasificacióón de n de BeniawskiBeniawski (1973)(1973)

•• ClasificaciClasificacióón de Laubscher (1975)n de Laubscher (1975)

•• ClasificaciClasificacióón de n de HoekHoek (1994)(1994)

Clasificación de Barton, Lien y Lunde

El método de clasificación de Barton et al. Se desarrollo para estimar la fortificación de túneles en función del índice Q de calidad geotécnica, definido como:

Donde el primer cuociente corresponde a una estimación del tamaño de los bloques que conforman el macizo rocoso.

El segundo cuociente corresponde a una estimación de la resistencia al corte entre los bloques.

El tercer cuociente representa lo que Barton et al. definen esfuerzo activo.


Los parámetros que definen estos cuocientes son:

• RQD es la designación de la calidad de la roca definida por Deere

• Jn es un coeficiente asociado al número de sets de estructuras presentes, puede variar de 0,5 (macizo masivo o con pocas estructuras) a 20 (roca totalmente disgregada o triturada).

• Jr es un coeficiente asociado a la rugosidad de las estructuras presentes, puede variar de 0,5 (estructura plana y pulida) a 5 (estructuras poco persistentes espaciadas a más de 3m).

• Ja es un coeficiente asociado a la condición o grado de alteración de las estructuras presentes, puede variar de 0,75 (vetillas selladas en roca dura con rellenos resistentes y degradables) a 20 (estructuras con rellenos potentes de arcilla).


•Jw es un coeficiente asociado a la condición de aguas en las estructuras presentes, puede variar de 0,05 (flujo notorio de aguas, permanente o que no decae en el tiempo) a 1 (estructuras secas o con flujos mínimos de agua).

• SRF es un coeficiente asociado al posible efecto de la condición de esfuerzos en el macizo rocoso, puede variar de 0,05 (concentraciones importantes de esfuerzos en roca competente) a 400 (condición favorable a la ocurrencia de estallidos de rocas).

A diferencia de otros sistemas de clasificación geotécnicas, las tablas para calcular los parámetros que definen Q no han cambiado desde 1974, solo se introdujo una modificación al parámetros SRF, para permitir el considerar condiciones con riesgo de estallidos de rocas (Grimstad & Barton, 1993).


El uso de la razón entre RQD y Jn para evaluar el tamaño de los bloques que conforman el macizo rocoso, presenta los problemas propios del índice RQDcomo una medida confiable de la intensidad el fracturamiento. Este sesgo puede ser obviado parcialmente si se evalúa el RQD en función del número de discontinuidades por unidad de volumen, Jv, mediante la relación propuesta por Palmstrom (1974).

RQD = 115 - 3,3xJv

La evaluación del parámetro Jn presenta algunos problemas respecto al número de sets presentes. La idea de sets aleatorio presenta problemas conceptuales, si bien algunos macizos presentan 4 o más sets, puede ser incorrecto clasificarlos como muy fracturados si el espaciamiento entre las estructuras es suficientemente grande.

Cálculo RQD

Cálculo Jn

Cálculo JrSe calcula en función de la rugosidad de las estructuras más débiles, si estas están favorablemente orientadas, deberá escogerse el set más débil de todas las estructuras desfavorablemente orientadas.

Cálculo Ja

Se hacen las mismas consideraciones que el caso anterior.

Cálculo JwLos casos C a F corresponden a estimaciones muy aproximadas. Se puede incrementar el valor de Jw si se implementan medidas de drenaje.Problemas especiales asociados al congelamiento de las aguas y la formación de hielo no se consideran.

Cálculo SRF

Calidad según el índice Q

El índice Q permite calificar la calidad geotécnica de los macizos rocosos en una escala logarítmica, que varía desde 0,001 a 1000 y considera 9 clases de calidad geotécnica:

• Macizos de calidad EXCEPCIONALMENTE MALA (Q≤ 0,01)

• Macizos de calidad EXTREMADAMENTE MALA (0,01 <Q≤ 0,1)

• Macizos de calidad MUY MALA (0,1<Q≤1)

• Macizos de calidad MALA (1 <Q≤ 4)

• Macizos de calidad REGULAR (4 <Q≤ 10)

• Macizos de calidad BUENA (10 <Q≤ 40)

• Macizos de calidad MUY BUENA (40 <Q≤ 100)

• Macizos de calidad EXTREMADAMENTE BUENA (100 <Q≤ 400)• Macizos de calidad EXCEPCIONALMENTE BUENA (400 <Q)

Clasificación de Beniawsky

De Rock Engineering. Course notes by Evert Hoek.

El método de clasificación de Beniawsky (1973) se desarrolló para estimar la fortificación de túneles en función del índice RMR de calidad geotécnica, definido como:

RMR = P(UCS) + P(RQD) + P(s) + P(JC) + P(WC)

Donde:

P(x) es el puntaje asignado al parámetro x

UCS es la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta y el puntaje puede variar de 0 (si UCS < 1 MPa) a 15 (si UCS > 250 MPa).

RQD es la designación de la calidad de la roca definida por Deere y el puntaje puede variar de 3 (si RQD < 25%) a 20 (si 90 < RQD ≤ 100).

s es el espaciamiento entre las estructuras y el puntaje puede variar de 5 (si s<60mm) a 20 ( si s> 2m)

JC es la condición de las estructuras y el puntaje puede variar de 0 (en el caso de estructuras continuas y abiertas más de 5mm o con rellenos arcillosos blandos de potencia mayor a 5mm) a 30 (en el caso de estructuras discontinuas, muy rugosas, cerradas y sin alteración de su roca de caja).

Clasificación de BeniawskyWC es la condición de aguas y el puntaje puede variar de 0 (en el caso de estructuras

con flujo de aguas de 125lt/min en un tramo de túnel de 10m de longitud o donde la presión del agua excede el 50% del esfuerzo principal mayor) a 15 (en el caso de estructuras completamente secas)

Respecto al uso del índice RMR es conveniente hacer las siguientes consideraciones:

• Las tablas para calcular los puntajes asociados a los parámetros que definen el RMR han cambiado varias veces desde el 1973, por lo tanto es conveniente indicar siempre que versión del método se está usando.

• Muchas veces los testigos seleccionados para evaluar el UCS corresponden a los más competentes, por lo que no necesariamente representan la resistencia típica de la roca intacta.

• El uso del RQD presenta los problemas antes mencionados.

• Los puntajes asociados al espaciamiento entre las estructuras suponen que el macizo rocoso presenta tres sets de estructuras, por lo que si el macizo tiene menos de tres sets la evaluación resulta conservadora.

Clasificación de Beniawsky• El índice RMR parece funcionar bien para caracterizar macizos rocosos de las clases

I a IV (RMR > 25), pero no funciona bien en macizos rocosos de muy mala calidad geotécnica.

El índice RMR define la calidad geotécnica de los macizos rocosos en una escala que varía desde 0 a 100 y considera 5 clases:

• Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 ≤ RMR ≤ 20)

• Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 < RMR ≤ 40)

• Macizos de calidad RGULAR (Clase III, 40 < RMR ≤ 60)

• Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 < RMR ≤ 80)

• Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 < RMR ≤ 100)

A continuación se presentan las tablas para la estimación de los parámetros de acuerdo a la versión del 1989.

Puntaje UCSEl puntaje asociado al UCS se calcula según la siguiente curva o la siguiente tabla.

Puntaje UCS

Puntaje RQD

Puntaje espaciamiento

Puntaje Jc

Puntaje WC

Ajustes al RMR

Una vez calculado el RMR in situ, es posible ajustar este valor considerando la orientación de las estructuras:

RMR = RMRIN SITU - ΔRMR

Clasificación de Laubscher

De A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design. Laubscher 1990. J.S. Afr. Inst. Min Metall., v. 90, Nº 10

El método de clasificación de Laubscher (1975) se desarrollo como un variante del método de Beniawsky orientada a aplicaciones mineras, definiendo la calidad geotécnica del macizo rocoso in situ mediante un índice RMR, que luego se modifica para definir un índice de calidad geotécnico-minera, MRMR. El índice RMR se define como:

RMR = P(IRS) + P(FF/m) + P(JC)

Donde:P(x) es el puntaje asociado al parámetro x.

IRS es la resistencia a la compresión simple de la roca intacta, el puntaje asociado puede variar de 1 (si IRS ≤ 4 Mpa) a 20 (si IRS > 185 MPa).

FF/m es la frecuencia de fracturas por metro lineal, el puntaje puede variar de 0 (en el caso de un macizo rocoso con más de 40 fracturas por metro lineal con tres sets) a 40 (en el caso de un macizo con menos de 0,25 fracturas por metro lineal).

JC el la condición de las estructuras y el puntaje puede variar de 0,6 a 40 dependiendo de la condición de las estructuras.


Respecto al uso del RMR para caracterizar el macizo rocoso es conveniente indicar lo siguiente:

• Las tablas para calcular los puntajes asociados a los distintos parámetros han cambiado varias veces desde 1975. Por lo tanto es importante indicar qué versión del método se está utilizando.

• Muchas veces los testigos seleccionados para evaluar IRS corresponden a los más competentes, el método incluye un ábaco empírico para obtener un valor representativo si se conocen los porcentajes de roca resistente y de roca débil.

• Al evaluar la condición de las estructuras debe considerarse el set más desfavorablemente orientado respecto a los esfuerzos. Si no está clara esta condición debe considerarse el set con la peor condición.

A continuación se presenta la versión del 1990.


El uso del índice RMR permite calificar la calidad de los macizos rocosos en una escala que varía de 0 a 100 y define 5 clases y 10 sub clases.

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO SEGÚN LAUBSCHER

Clase1

A B2

A B3

A B4

A B5

A B

Puntaje 100-81 80-61 60-41 40-21 20-0

Descripción Muy Buena Buena Regular Mala Muy

Mala

Color Azul Verde Amarillo Café Rojo

Estimación del FF/m

La estimación de la FF en túneles debe ser evaluada en las paredes y en el techo de la galería, dependiendo de la orientación de las estructuras.

Se pueden presentar las siguientes situaciones:

• Si todas las estructuras están presentes en las cajas, definir cual intersecan una línea horizontal.

• Si no todas intersecan una línea horizontal, hay que medir respecto a una línea vertical.

• Si un set es paralelo a una caja hay que medirlo respecto a una línea en el techo perpendicular a la caja.

Esta diferencias en el procedimiento de muestreo pueden ser solucionadas si la suma de las fracturas es dividida por un factor para estimar la frecuencia fractura por metro promedio. Estos factores se presentan en la siguiente tabla.

Estimación del FF/m

Procedimiento de muestreo Factor

a. Un set de tres en una línea o un set solo 1,0

b. Dos sets de tres en una línea o dos sets solos 1,5

c. Todos los sets en una línea o en sondaje 2,0

d. Dos sets en una línea y uno en otra 2,4

e. Tres sets en tres líneas ortogonales 3,0

Puntaje IRS y FF/m

Puntaje JC

Estimación de la rugosidad

Estimación del MRMR

El propósito de los ajuste al RMR para llegar al valor de MRMR es que este ultimo refleje en forma realista el comportamiento del macizo rocoso respecto a la condición de minería que se considera. El ajuste será dado por la siguiente relación:

MRMR = RMR*CW*CO*CI*CB

CW es un factor de ajuste por meteorización, depende de la susceptibilidad de la roca a deteriorarse, varía entre 0,3 y 1.

CO es un factor de ajuste que depende de la orientación de las estructuras geológicas y el número de discontinuidades sub-horizontales presentes en el macizo rocoso, respecto a la orientación de los túneles, varía entre 0,63 y 1.

CI es un factor de ajuste que depende de la redistribución de esfuerzos producto de la minería, varía entre 0,63 y 1.

CB es un factor que depende de la calidad de la tronadura de desarrollo, varía entre 0,8 y 1.

Clasificación de Hoek

El índice de resistencia geológica, GSI, fue desarrollado por Hoek (1994) sobre la base de dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:

RMS es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón.

JC es la condición de las estructuras presentes en el macizo rocoso.

La evaluación del GSI se hace por comparación del caso que interesa con las condiciones típicas que se muestran en el ábaco presentado en la siguiente diapositiva. El índice puede variar de 0 a 100, definiendo 5 clases de macizos rocosos de acuerdo a la versión del 2002:

• Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 ≤ GSI ≤ 20)• Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 <GSI ≤ 40)• Macizos de calidad REGULAR (Clase III, 40 <GSI≤ 60)• Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 <GSI≤ 80)• Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 <GSI≤ 100)

De Marinos & Hoek (2001). Estimating the geotechnical properties of heterogeneous rock masses such as flysch. Bull Int Assoc Geol

Estimación del índice GSI

Clasificación de HoekRespecto al uso del índice GSI es conveniente indicar lo siguiente:

• No es aplicable en casos en que el macizo rocoso presenta un claro control estructural.

• No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que al evaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio de Hoek & Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”).

• No considera el espaciamiento de las estructuras, ya que éste está implícitamente incluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a menor espaciamiento el macizo es de mayor blocosidad).

• No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek & Brown se define en términos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”).

• El índice GSI debe definirse en un rango y no como un valor específico. Es usual definir un rango 15 puntos.

• En casos especiales, como macizos heterogéneos, puede ser necesario desarrollar una versión especial de la tabla de calificación del índice GSI.

• Se requiere bastante criterio y experiencia para aplicar este método al mapeo geotécnico de sondajes.

Clasificación de Hoek en macizos de mala calidad

B D E

F

G H

A. Thick bedded, very blocky sandstoneThe effect of pelitic coatings on the beddingplanes is minimized by the confinement ofthe rock mass. In shallow tunnels or slopesthese bedding planes may cause structurallycontrolled instability.

B. Sand-stone with thin inter-layers of siltstone

C. Sand-stone and siltstone insimilaramounts

D. Siltstoneor silty shalewith sand-stone layers

E. Weaksiltstone or clayey shale with sandstonelayers

G. Undisturbed siltyor clayey shale with or without a few very thin sandstone layers

H. Tectonically deformed silty orclayey shale forming a chaotic structure with pockets of clay. Thin layers of sandstone are transformed into small rock pieces.

F. Tectonically deformed, intensivelyfolded/faulted, sheared clayey shale or siltstone with broken and deformed sandstone layers forming an almostchaotic structure

C

GSI FOR HETEROGENEOUS ROCK MASSES SUCH AS FLYSCH

COMPOSITION AND STRUCTURE SUR

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r filli

ngsFrom a description of the lithology, structure and surface conditions (particularly

of the bedding planes), choose a box in the chart. Locate the position in the box that corresponds to the condition of the discontinuities and estimate the average value of GSI from the contours. Do not attempt to be too precise. Quoting a range from 33 to 37 is more realistic than giving GSI = 35. Note that the Hoek-Browncriterion does not apply to structurally controlled failures. Where unfavourably oriented continuous weak planar discontinuities are present, these will dominate the behaviour of the rock mass. The strength of some rock masses is reduced by the presence of groundwater and this can be allowed for by a slight shift to the right in the columns for fair, poor and very poor conditions. Water pressure does not change the value of GSI and it is dealt with by using effective stress analysis.

C,D, E and G - may be more or less folded than llustrated but this does not change the strength. Tectonic deformation, faulting and loss of continuity moves these categories to F and H.

: Means deformation after tectonic disturbance


A. Thick bedded blocky sandstone. Note that structural failure can occur when dip of bedding planes is unfavourable.

B. Sandstone with thin siltstone layers. Small scale structural failures can occur when bedding dip is unfavourable.


C. Sandstone and siltstone in equalproportions

D. Siltstone or silty shale with sandstone


E. Weak siltstone or clayey shale withsandstone layers

F. Tectonically deformed, sheared clayeyshale or siltstone with broken sandstone


G. Undisturbed silty or clayey shale with afew thin sandstone layers

H. Tectonically deformed clayey shale

Toma de datos en sondajesEn primer lugar se procede al cálculo de la recuperación y a la medición del RQD para esta última operación hay que diferenciar la fracturas naturales de las inducidas.

Las fracturas naturales tienden a ser más o menos planas, generalmente presentan relleno que puede presentar oxidación o evidencias de lixiviación.

Las fracturas inducidas se presentan más irregulares y la roca se presenta fresca.

Toma de datos en sondajesSi se encuentra material más débil que la roca de caja, como salbanda arcillosa sobreconsolidada, se descuenta para el cálculo del RQD, incluso si aparece en trozos de 10cm o más.

No es recomendable regularizar el sondaje a 1,5m para la toma de datos geotécnicos, dado que esta operación induce un error en la estimación del RQD y se recomienda tomar los datos respecto a la corrida del sondaje, en general 3m.

Cálculo RQD

Toma de datos en sondajesPara la toma de datos de las estructuras el ISRM recomienda determinar 10 parámetros cuando se requiera hacer un levantamiento de detalle de un sondaje de diamantina, estos parámetros son:

• Orientación de las discontinuidades• Espaciamiento, este parámetro depende de la longitud L, medida a lo largo del eje

del testigo entre discontinuidades adyacentes de una misma familia y depende del ángulo θ entre las discontinuidades y el eje del testigo.

S = Lsenθ

• Persistencia de las estructuras• Rugosidad de la discontinuidad• Resistencia de la pared, estimado en función de la alteración de las paredes de

roca o utilizando el martillo de Schmidt.• Apertura de las discontinuidades• Relleno• Circulación de agua, detectada mediante la presencia de patinas de oxidación• Número de sets estructurales• Tamaño de bloques

Toma de datos en sondajes

Toma de datos en galeríasLa frecuencia fractura por metro lineal puede ser medida mediante una línea de detalle o mediante el método de las estaciones.

La línea de detalle constituye un método más preciso que la celda pero de lenta ejecución, así que es recomendable primero caracterizar cada unidad geotécnica mediante celda y sucesivamente si se requiere mayor detalle respecto al arreglo estructural se pueden realizar líneas de detalles.

Para caracterizar cada unidad geotécnica mediante líneas de detalle, idealmente los sitios de muestreo deberían seleccionarse aleatoriamente en tres longitudes iguales, en lo posible en tres direcciones ortogonales.

En una línea de detalle se considerarán las estructuras incluidas en una ventana de muestreo que cumplan las siguientes condiciones:

• Que corten la huincha

• Que formen bloques con una superficie adecuada (>300cm2)

La información levantada deberá ser procesada con los programas JOINTS o DIPS para determinar los sets estructurales.

Toma de datos en galerías

Toma de datos en galeríasTerminación: se definen cuatro tipos de terminación para ambos extremos (arriba y abajo). Estas son:

BP: La estructura llega hasta bajo el piso de la labor, no observándose su terminación verdadera.

ST: La estructura llega hasta el techo, en este caso tampoco se puede ver su terminaciónAJ: La estructura termina conectada con otra estructura, se distingue el caso en que esta

conexión es con un ángulo >20º (AJH) o si es menor (AJL).

RI: La estructura termina en la roca intacta.

D: No se puede distinguir como termina la estructura.

Tipo: esta variable muestra la relación de la estructura con respecto a la ventana de observación. Los tipos son:

Tipo M: la vetilla atraviesa toda la labor

Tipo 0: la vetilla está contenida en una caja de la labor

Tipo 1: la vetilla está semicontenida en una caja de la labor

Tipo 2: la estructura está contenida en una caja de la labor


Textura


Rugosidad

Toma de datos en galeríasEl método de caracterización estructural denominado celdas de mapeo al igual que otros considera las estructuras que forman bloques.

Tiene la ventaja de ser un método muy rápido pero que depende mucho de la experiencia del profesional por lo tanto resulta de alguna forma subjetivo.

La información levantada corresponde básicamente en determinar la frecuencia de fracturas por metro cúbico, la frecuencia de fracturas por metro lineal y las familias de estructuras representativas de la unidad geotécnica.

Para la medición del ff/m3 se reconocen en terreno los sets estructurales presentes y se cuentan cuantas estructuras de cada sets están presentes en la huincha de mapeo, con un largo de 5m a 10m.

Para cada sets se tomarán los datos de rumbo y manteo, la rugosidad y planaridad y la condición de las estructuras. Para calcular el ff/m de cada set se deberá tener en cuenta la orientación de las estructuras respecto a la huincha de mapeo.

Aplicaciones de las clasificaciones geotécnicas

Los sistemas de clasificaciones geotécnicas tienen muchas aplicaciones en los campos de la ingeniería civil y de la minería.

En el campo de la ingeniería civil tienen aplicación en definir el tipo de fortificación de túneles.

Establecer la calidad del macizo rocoso para la construcción de un embalse.

Definir la calidad del macizo rocoso en función de la estabilidad de un talud en un corte de una carretera y consecuentemente definir las obras de estabilización del talud.

Determinar la calidad de la roca para saber si es en condición de soportar la presión ejercida por los pilares de un puente.

Etc.


Los sistemas de clasificación geotécnica tienen muchas aplicaciones en el campo de minería tanto a cielo abierto como en subterránea.

En una minería a cielo abierto tiene aplicaciones en definir el ángulo del talud, por ejemplo Laubcher 1990 presenta la siguiente tabla para definir el ángulo del talud sobre la base del índice MRMR.

El índice GSI puede ser utilizado para estimar la resistencia a la compresión del macizo rocoso según la metodología propuesta por Hoek & Brown como visto anteriormente.


Otra aplicación muy importante en las minas a cielo abierto es la detección de las cuñas y de su potencial caída.

El mapeo geotécnico estructural permite detectar estructuras que por su geometría conforman una cuña. Conociendo la condición de las estructuras y el peso de la cuña es posible determinar su estabilidad.

Aplicaciones de las clasificaciones geotécnicasPara la minería subterránea muchas de las aplicaciones son idénticas a los casos anteriormente descritos, aquí los veremos más en detalle.

Como para el caso de las obras civiles una de las principales aplicaciones de los sistemas de clasificación dice relación con la definición del tipo de fortificación de los túneles.

Aplicaciones de las clasificaciones geotécnicasComo se evalúa la fortificación según Barton et alii.

En relación al valor del índice Q, en la estabilidad y requerimientos de fortificación de excavaciones subterráneas, Barton et al., en 1974, definieron un parámetro adicional que llamaron dimensión equivalente ( De ) de la excavación.

De =DIAMETRO O ALTURA DE LA LABOR

INDICE ESR ( utilidad de la labor)


1) SIN FORTIFICACION

2) PERNOS ESPECIFICOS

3) PERNOS SISTEMATICOS

4) PERNOS SISTEMATICOS CON 4 A 5 cm

SHOTCRETE NO REFORZADO

5) SHOTCRETE CON FIBRA ( 5 A 9 cm), CON PERNOS



8) SHOTCRETE CON FIBRA ( > 15 CM), CON PERNOS Y MALLA

9) CONCRETO

De =

Labor de 5 m

ESPECIFICACIONES

Para cámaras permanentes y de refugio.

5 1

De = 5 1.6

= 5.00

= 3.13

Q = 2

3.133.845.00

ROCA CUARZO SERICITICA


Laubscher en su trabajo de 1990 propone una tabla para estimar el tipo de fortificación en función de los dos índices RMR y MRMR.


Otra aplicación de los sistemas de clasificación es representada por la estimación de la resistencia del macizo rocoso.

Laubscher propone la siguiente metodología

RMS = IRS x {[RMR-P(IRS)]/80} x 80/100

Hagamos un ejemplo, consideramos un macizo rocoso cuyo RMR sea 60, el IRS = 100MPa y el P(IRS) = 10

RMS = 100MPa x [(60-10)/80] x 80/100 = 50 Mpa


Otra metodología para estimar la resistencia del macizo rocoso es la propuesta por Hoek & Brown mediante el uso del índice GSI y de los parámetros del criterio de falla de estos autores σci y mi.

σ’1 = σ’3 + σci mbσ’3σ’ci

+ sa

donde mb = mi exp GSI - 10028 - 14D

s = exp GSI - 1009 - 3D

e-GSI/15 - e-20/3a =12

+16

La resistencia a la compresión y a la tracción del macizo rocoso será dada por:

σc = σcisa σt = -sσcimb


El sistema de clasificación de Laubscher puede ser utilizado para estimar la resistencia de un pilar de la mina mediante las siguientes consideraciones.

Para un pilar con una razón entre ancho y alto menor de 4,5, la resistencia del pilar serádad por la siguiente formula:

Resistencia del pilar Ps = k(W0,5/H0,7)

Donde k = DRMS en Mpa W = 4 x (Área Pilar/Perímetro Pilar) H = altura pilar

La estimación de la resistencia de un pilar frente a los esfuerzos es fundamental para la definición, junto a otros parámetros, del diseño minero.


El mapeo estructural que se realiza en las galerías, además de definir la frecuencia de fracturas tiene su aplicación en la definición de potenciales cuñas.

Conociendo el volumen y la densidad de la cuñas es posible determinar su peso. Considerando los esfuerzos locales y la condición de las estructuras es posible determinar su posible inestabilidad y determinar el largo y la orientación del perno necesario para sujetarla.


El sistema de clasificación de Laubscher tiene otra aplicación en determinar la hundibilidad de un macizo rocoso frente a una minería tipo caving, mediante el uso del índice MRMR y del Radio Hidráulico (Área/Perímetro).


La estimación de la fragmentación del macizo rocoso frente a una minería de tipo caving es un factor muy importante dado que de este parámetro depende el dimensionamiento de los equipos (palas), la necesidad de reducción secundaria, con consecuente uso de explosivo y/o martillos picadores y la distancia entre los puntos de extracción.

Existen varios métodos para realizar esta estimación, uno de ellos el método Teniente utiliza solo la ff/m para definir una curva granulométrica.


Otro método es el propuesto por la empresa Ingeroc, mediante el uso del software SIZEWIN. Este usa como parámetros de entrada el RMR de Laubscher, la ff/m y la altura de columna a explotar.


El último método es el desarrollado por el International Caving Study mediante el uso del software BCF (Block Caving Fragmentation). Los parámetros de entrada de este software son el RMR de Laubscher, la resistencia a la compresión de la roca intacta, el estado tensional in situ y el fracturamiento.

presentación - curso geotecnia

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