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CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

ASPECTOS GEOTÉCNICOS DE LA MINERÍA SUBTERRÁNEA CAPITULO N°4 SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN GEOTÉCNICOS

Mecánica de Rocas II GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

1

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Sistemas de Clasificación de Macizos Rocosos 1) 2) 3) 4) 5)

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

Objetivo y Alcances de los Sistemas de Clasificación 1) 2) 3) 4)

Calificar el Macizo Rocoso – Nota. Escalamiento de Propiedades Geomecánicas Estimación parámetros de diseño. Fortificación Sistemática 2

GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Frecuencia Lineal de Fracturas (FF) : Parámetro que representa la frecuencia por metro de longitud, en una dirección dada, de todas aquellas estructuras abiertas y/o con rellenos débiles que presentan una persistencia mayor que 2 m y que al unirse con otras estructuras definen, sobre la superficie de mapeo, polígonos cerrados. Resulta evidente que la magnitud de este parámetro depende de la dirección en que se mida, por lo que, si no se indica explícitamente la dirección de referencia se considerará que el valor indicado corresponde al valor típico del macizo rocoso.

CALIFICACIÓN

DEL

MACIZO

ROCOSO

FF

SEGÚN SU GRADO DE FRACTURAMIENTO

(fracturas / m)

Muy Masivo

0

a

2

Masivo

3

a

7

Fracturado

8

a

14

Muy Fracturado

15

a

23

Extremadamente Fracturado

24 o más

3 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Indice RQD :

Modo de Cálculo del RQD (Deere (1989))

4 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Indice RMR Bieniawski (1989)

5 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Ejemplos de Macizos Rocosos

RMR = 81 a 100

RMR = 61 a 80

Clase I - Muy Buena

Clase II - Buena

RMR = 41 a 60

RMR = 41 a 60

Clase III - Media

Clase III - Media 6

GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Ejemplos de Macizos Rocosos

RMR = 21 a 40 Clase IV - Mala

RMR ≤ 21 Clase V – Muy Mala

7 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

Indice RMR Laubscher (1996)

8 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

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Clasificación de los Parámetros utilizados en la obtención del Índice Q (Después de Barton et al., 1974). DESCRIPCION

VALOR

1. CALIDAD DEL TESTIGO RQD

RQD (%)

A.

Calidad Muy Mala.

0

-

25

B.

Calidad Mala.

25

-

50

C.

Calidad Media.

50

-

75

D.

Calidad Buena.

75

-

90

E.

Calidad Excelente.

90

-

100

2. ÍNDICE DE DIACLASAMIENTO

NOTAS

1.

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

2.

Los intervalos de 5 unidades para el RQD, poseen suficiente precisión.

Jn

A.

Roca Masiva, sin o con pocas diaclasas.

B.

Una familia de diaclasas.

0.5

2

.

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.

Cuatro o más familias, diaclasas aleatorias, roca

15

1.0

1.

En intersecciones de túneles use la expresión (3.0 x Jn)

2.

En portales de túneles use la expresión (2.0 x Jn)

1.

Aumentar en una unidad (1.0) el índice Jr si el

muy fracturada, roca en terrones, etc. J.

Roca triturada, de apariencia terrosa.

20

3. ÍNDICE DE RUGOSIDAD DE DISCONTINUIDADES

Jr

a.

Contacto entre los planos de la discontinuidad

b.

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

espaciamiento de las discontinuidades relevantes es superior a 3.0 m.

A.

Diaclasas discontinuas.

4

B.

Diaclasas onduladas, rugosas e irregulares.

3

presenten alineaciones orientadas en relación a la

C.

Diaclasas onduladas, lisas.

2

dirección de mínima resistencia, se puede utilizar el

D.

Diaclasas onduladas, perfectamente lisas.

1.5

E.

Diaclasas planas, rugosas o irregulares.

1.5

F.

Diaclasas planas, lisas.

1.0

G.

Diaclasas planas, perfectamente lisas.

c.

No

existe

contacto

entre

los

planos

2.

En el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que

valor Jr = 0.5.

0.5 de

la

discontinuidad cuando se produce el corte. H.

Zona que contiene minerales arcillosos con un

1.0

espesor suficiente que no permite contacto entre las caras de la discontinuidad. J.

Zonas arenosas, de gravas o triturada con un

1.0

espesor suficiente para impedir el contacto entre las caras de la discontinuidad.

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9

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA DESCRIPCION VALOR 4. ÍNDICE DE ALTERACION DE DISCONTINUIDADES

NOTAS

Ja

φr (apróx.)

0.75

- --

1.

a.

Contacto entre los planos de la discontinuidad

A.

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

B.

Planos de discontinuidades inalterados, superficies

1.0

25º

-

productos de alteración, si existen.

Planos de discontinuidades ligeramente alterados,

2.0

25º

-

30º 2.

Recubrimientos de arcillas limosas o arenosas, con

3.0

20º

4.0

8º

25º

pequeñas fracciones de arcillas (no blandas). Recubrimientos de arcillas blandas o de baja fricción

-

16º

(caolinita o mica). También clorita, talco, yeso, grafito y pequeñas cantidades de arcillas expansivas.

b.

Los valores expresados para los parámetros Jr y Ja se aplican a las

Arenosas, roca desintegrada, libre de arcilla, etc.

E.

intencionalmente

propiedades mineralógicas de los

35º

conteniendo minerales no reblandecibles, partículas D.

están

como una guía aproximada a las

solamente manchadas. C.

Los valores de φr , ángulo de fricción residual,

familias de discontinuidades que son menos favorables con relación a

la

estabilidad,

tanto

por

la

orientación de las mismas como por su resistencia al corte (ésta puede evaluarse mediante la -1 T ? σn x tan (Jr/Jn)).

expresión:

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

F.

Partículas arenosas, roca desintegrada libre de Arcillas, etc.

4.0

25º

-

30º

G.

Fuertemente

6.0

16º

-

24º

8.0 - 12.0

12º

-

16º

8.0 - 12.0

6º

-

12º

Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y

6.0, 8.0 ó

6º

-

24º

arcillas (ver clases G, H y J para la descripción de las condiciones de las arcillas).

8.0 - 12.0

Zonas o bandas de arcillas limosas o arenosas, con

5.0

consolidados,

con

rellenos

de

minerales no blandos (continuos, con espesores inferiores a 5 mm). H.

Sobreconsolidación

media

o

baja,

con

reblandecimiento, rellenos de minerales arcillosos minerales no blandos (continuos, con espesores inferiores a 5 mm). J.

Rellenos

de

montmorillonitas

arcillas

expansivas,

(continuos,

con

como

espesores

inferiores a 5 mm). El valor de Ja depende del porcentaje de partículas con tamaños similares a los de las arcillas expansivas. c.

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

K.

L.

- --

pequeñas fracciones de arcillas no reblandecientes. M.

Zonas o bandas continuas de arcilla, de mayor Espesor (ver clases G, H y J, para la descripción de

10, 13 ó

6º

-

24º

13 - 20

Las condiciones de las arcillas).

GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

10

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA DESCRIPCION

VALOR

5. FACTOR DE REDUCCIÓN POR ACCIÓN DE AGUAS

JW

A.

1.0

Excavaciones

secas

o

pequeñas

afluencias

Presión de Agua 2 (Kgf/cm ) (apróx.) < 1.0

Inferiores a 5 l/min, de forma localizada. B. C.

NOTAS

1.

Afluencia o presión medias, con lavado ocasional

0.66

1.0

-

Los valores de las clases C, D, E y F son estimativos. Si se incorporan

2.5

deLos rellenos de las discontinuidades

medidas

Afluencia importante o alta presión en rocas

incrementarse el valor de Jw.

0.5

2.5

-

10.0

0.33

2.5

-

10.0

de

drenaje

puede

Competentes con discontinuidades sin relleno. D.

Afluencia Importante o presión alta, lo que produce

2.

un lavado considerable de los rellenos. E.

Afluencia excepcionalmente alta o presión elevada en

el

momento

de

realizar

las

> 10

0.2

-

0.1

> 10

0.1

-

0.05

No se han considerado problemas especiales causados formación de hielo

por

la

tronaduras,

decreciendo con el tiempo. F.

Afluencia excepcionalmente alta o presión elevada de carácter persistente, sin disminución apreciable.

6. FACTOR DE REDUCCIÓN DE ESFUERZOS a.

Zonas débiles intersectan la excavación del túnel, lo que produciría desprendimientos de roca en la medida que la excavación avanza

A.

Múltiples zonas débiles con contenidos de arcilla o roca químicamente

B.

SRF

10

Si las zonas de corte relevantes

desintegrada, mucho desprendimiento de roca en los límites de la

solo ejercen cierta influencia pero

excavación (a cualquier profundidad).

no intersectan a la excavación, se

Zonas débiles aisladas con contenidos de arcilla o roca químicamente

5.0

Zonas débiles aisladas con contenidos de arcilla o roca químicamente

reducen los valores del SRF entre un 25 - 50%

desintegrada (profundidad de la excavación ≤ 50 m). C.

1.

2.5

desintegrada (profundidad de la excavación > 50 m). D.

Múltiples zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), pérdida

7.5

de roca en las inmediaciones de la excavación (a cualquier profundidad) E.

Zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), (profundidades de

5.0

la excavación < 50 m). F.

Zonas de corte en roca competente (libre de arcillas), (profundidades de

2.5

la excavación > 50 m). G.

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

5.0

11 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA 6. FACTOR DE REDUCCIÓN DE ESFUERZOS b.

Rocas

competentes,

problemas

SRF de

σc / σ 1

σ t σ1

2.

altamentre anisotrópicos (si son

concentración de esfuerzos. H.

Bajos niveles de esfuerzos, cercano a

> 200

>13

Medidos); cuando 5≤σ1/σ3≤10, se

2.5

reduce σc y σt a un 80% de su

Superficie. J.

Niveles medios de esfuerzos.

200 - 10

13 - 0.66

1.0

K.

Altos niveles de esfuerzos, estructura muy

10 - 5.0

0.66 - 0.33

0.5 - 2.0

compacta,

Para campos de esfuerzos in situ

valor,

es

Severos estallidos de roca (roca masiva).

c.

Rocas deformables, flujo plástico de roca no competente sometida a altas presiones litostáticas.

0.8σt

se reduce σc y σt a un 60% de su compresión

M.

y

valor.; donde σc es la resistencia en

estabilidad de las paredes). Leves estallidos de roca (roca masiva).

0.8σc

respectivamente. Cuando σ1/σ3>10,

(usualmente favorable a la

L.

decir

simple,

σt

es

la

5.0 - 2.5

0.33 - 0.16

5.0 - 10

resistencia a la tracción y σ1 y σ3

< 2.5

< 0.16

10 - 20

son los esfuerzos principales mayor y menor respectivamente.

3.

N.

Leves presiones de deformación

5 - 10

O

Severas presiones de deformación

10 - 20

d.

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

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

P.

Leves presiones de expansión.

5 - 10

R.

Severas presiones de expansión.

10 - 15

12 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA NOTAS ADICIONALES RESPECTO AL USO DE ESTAS TABLAS Cuando se hagan estimaciones de la calidad del macizo rocoso a través del índice Q, los siguientes puntos pueden ser seguidos como guía de manera adicional a las notas presentadas en las tablas anteriores: 1.

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

2.

El parámetro Jn representa el número de sistemas de discontinuidades que a menudo se verán afectados por foliación, esquistocidad, planos de Clivaje o estratificaciones, etc. Si alguno de estos patrones se encuentra fuertemente desarrollado., estas discontinuidades “paralelas” se deberían 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 será más apropiado contarlas como discontinuidades aleatorias cuando se evalúe el parámetro Jn.

3.

Los parámetros Jr y Ja (que representan la resistencia al corte) deberían ser más relevantes en sistemas de discontinuidades más débiles o con rellenos de arcilla. Sin embargo, si la discontinuidad o el sistema de discontinuidades con el mínimo valor de Jr/Ja está favorablemente orientado en relación a la estabilidad, entonces una segunda discontinuidad o sistema de discontinuidades con una orientación menos favorable puede a veces ser más significativo, y el mayor valor de Jr/Ja puede ser usado cuando se evalúe el índice Q. El valor de Jr/Ja debe, en efecto, relacionarse con a la superficie más probable que permita iniciar la falla.

4.

Cuando el macizo rocoso contenga arcillas, el factor SRF apropiado para las pérdidas de carga debería ser evaluado. En tales casos la resistencia de la roca intacta es de poco interés. Sin embargo, cuando el fracturamiento es mínimo y la arcilla está completamente ausente, la resistencia de la roca intacta puede llegar a ser el nexo más débil, y la estabilidad dependerá entonces de la razón entre los esfuerzos y la resistencia de la roca. Un campo de esfuerzos altamente anisotrópicos es muy desfavorable para la estabilidad y está comentado en la nota 2 de la tabla para la evaluación del factor de reducción de esfuerzos.

5.

Las resistencias a la compresión y tracción (σc y σt) de la roca intacta deberían evaluar en la condición saturada si esto es apropiado para representar condiciones in situ presentes y futuras. Una estimación muy conservadora de la resistencia puede ser hecha para esas rocas que se deterioran cuando se exponen a la humedad o condiciones saturadas.

13 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

En relación al valor del índice Q para la estabilidad y requerimientos de soporte de excavaciones subterráneas, Barton et al. (1974) definieron un parámetro adicional el cual fue llamado Dimensión Equivalente, De, de la excavación. Esta dimensión es obtenida dividiendo el tramo sin fortificación (span), diámetro o altura de la pared de la excavación por una cantidad denominada Razón de Soporte de la Excavación, ESR Tramo sin soporte (span), diámetro o altura de la Excavación (m) De = Razón de Soporte de la Excavación ESR El valor de ESR está relacionado para el uso intencional del grado de seguridad que es demandado por el sistema de soporte instalado para mantener la estabilidad de la excavación. Barton et al. (1974) sugieren los siguientes valores: Categoría de la Excavación

ESR

A B

Aperturas mineras temporales Aperturas mineras permanentes, túneles de alimentación de aguas para plantas hidroeléctricas (excluyendo las compuertas de alta presión), túneles pilotos, socavones y avances de grandes excavaciones.

3-5 1.6

C

Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, túneles de carretera y ferrocarril, cámaras de

1.3

agua, túneles de acceso D

Estaciones de poder, túneles de carretera y ferrocarril mayores, cámaras de Defensa civil, intersección de

1.0

portales. E

Plantas de poder de estaciones nucleares subterráneas, estaciones de ferrocarril, recintos deportivos y públicos,

0.8

fábricas

14 GRUPO DE GEOMECÁNICA Y GEOTECNIA MINERA

CURSO DE GEOMECÁNICA APLICADA

G

F

E

D

EXCEPCIONALMENTE

EXTREMADAMENTE

MUY

MALA

MALA

MALA

C

MALA

B

MEDIA

A

MUY

BUENA

EXTREM.

EXCEP.

BUENA

BUENA

BUENA

100

50

s en erno p e r ent e iento shotcret m a i c n a o p 1.3 m c Es

áreas

2.3 m 2.1 m

10

1.5 m

7

1.2 m 1.0 m

20

(9)

(8)

(7)

(6)

(5)

(4)

(3)

(2)

CCA

RRS

S(fr)

S(fr)

S(fr)

B+(S)

B

sb

m m

in ss a e r ná 2.0 m e os ern p 1.5 m e ntr e to en i 1.3 m iam ac p Es

3

m

2.4

m

m m

90

m m

50

m m

2

1.5

1.0 m

1 0.01

0.04

0.1

0.4

1

CATEGORÍAS DE FORTIFICACIÓN 1. Sin Fortificación 2. Pernos Puntuales, sb 3. Pernos Sistemáticos, B 4. Pernos Sistemáticos con Shotcrete, 40 - 100 mm, B+S 5. Shotcrete con Fibras, 50 - 90 mm y Pernos, S(fr) + B

6. 7. 8. 9.

10

4

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO Q = RQD Jn

Figura 1.1:

3.0 m

40

mm

12 0

0 25

0 15

0.001

e ret c t o sh

4.0 m

10

5

5 (1)

LONGITUD DE PERNOS (m) PARA ESR = 1

20 2.5 m

ESR

TRAMO SIN FORTIFICACIÓN O ALTURA (m)

CLASES DE ROCA

X

Jr Ja

40 X

100

400

1000

Jw SRF

Shotcrete con Fibras, 90 - 120 mm y Pernos, S(fr) + B Shotcrete con Fibras, 120 150 120 mm y Pernos, S(fr) + B Shotcrete con Fibras, > 150 mm con Pernos y Marcos Reforzados con Shotcrete, S(fr) + RRS + B Revestimiento de Hormigón, CCA

Categorías de Soporte basadas en el Índice de Calidad Tunelera Q (después de Grimstad y Barton, 1993)

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15