CLASIFICACIÓN DE MACIZOS ROCOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

CLASIFICACIÓN DE MACIZO ROCOSO Ingeniería Geológica y Geotécnica

Facultad de Ingenierías Fisicoquímica Escuela de Geología Bucaramanga-Santander 2013

Contenido 1. INTRODUCCION ............................................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 3 4. MARCO TEORICO. ............................................................................................................................ 4 4.1. CONCEPTO DE MACIZO ROCOSO. ............................................................................................ 4 4.2. CLASIFICACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS. .................................................................................. 4 4.3. MARTILLO SCHMIDT ................................................................................................................. 5 4.4 INDICE SMR ............................................................................................................................... 5 5. UBICACIÓN Y MÉTODO DE TRABAJO............................................................................................... 5 6. TABLA DE DATOS ............................................................................................................................. 0 7. RESULTADOS ................................................................................................................................... 0 a) Tendencia de las Familias de Diaclasas (Diagrama de Rosetas).................................................. 0 b) Cálculo de la Resistencia a partir del Martillo Schmidt y la densidad de la muestra: ................ 0 c) Cálculo del RQD teórico ............................................................................................................... 2 d) Clasificación Geomecánica RMR (BIENIAWSKI, 1989) ................................................................ 3 e) Clasificación Geomecánica de taludes SMR ................................................................................ 5 f) Diseño de estabilización .............................................................................................................. 7 8. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 8 9. RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 9 10. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 10

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Figuras y Anexos. FIGURAS. Figura. 1: Zona de estudio generalizada (Fuente, Google Earth) Figura 2: Zona de estudio detallada (Fuente, Google Earth) Figura 3. Fotografía panorámica del talud y esquema del la zona 1, 2 y 3. Figura 4: Diagrama de Rosetas Figura 5: Ábaco utilizado para realizar la resistencia uniaxial a compresión, determinada tomando como punto de partida los rebotes registrados en el martillo con su respectiva inclinación, se determina la densidad de la muestra en el laboratorio para luego realizar la intersección con los datos del martillo obteniendo así la resistencia uniaxial a compresión. Figura 6: Clasificación Geomecánica RMR (BIENIAWSKI, 1989) tomado de, Ingeniería Geológica (González de Vallejo) Figura 7: Clasificación Geomecánica de taludes SMR. Tomado de, Ingeniería Geológica (González de Vallejo) Figura 8. Diseño de Malla con anclajes para estabilización del talud. (tomado de geobrugg TECCO® estabilización y control de la erosión de taludes y laderas inestables, con respeto al medio ambiente).

TABLAS Tabla 1. Características Generales del Talud Tabla 2. Características Geomecánicas del Talud Tabla 3. Rebotes Zona Norte Tabla 4. Rebotes Zona Sur Tabla 5: Asignación de puntajes para la clasificación RMR Tabla 6: Registro de las áreas correspondientes a cada zona del talud. Tabla 7. Valores determinados para la clasificación SMR según el tipo de rotura, en este caso se considera rotura por vuelco “T”.

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1. INTRODUCCION El método RMR (Rock Mass Raiting) fue desarrolla por BIENIAWSKI en 1972. Este método de clasificación permite caracterizar y estimar la calidad de un macizo rocoso de manera rápida, sencilla y de bajo costo en el trabajo de campo; la clasificación RMR tiene en cuenta varios parámetros que reciben una valoración según las características medidas en campopara luego asignar un puntaje que dará posteriormente la posibilidad de conocer las particulares Geotécnicas preliminares del macizo. Una vez realizada la clasificación RMR se da paso a el ajuste geomecánico de taludes SRM teniendo en cuenta el tipo de fallamiento del macizo rocoso.

2. OBJETIVOS 

Adquirir capacidad de desarrollo ingenieril para plantear soluciones coherentes ante casos problemas.



Realizar la caracterización Geotécnica del macizo rocoso teniendo en cuenta los parámetros de clasificación RMR y el ajuste realizado para taludes utilizando la clasificación SMR.



Determinar la estabilidad o inestabilidad del talud y con base en esto definir diseños que mitiguen o eliminen impactos negativos en la sociedad.

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4. MARCO TEORICO. 4.1. CONCEPTO DE MACIZO ROCOSO. Macizo Rocoso, se le denomina al conjunto conformado por la matriz rocosa y las discontinuidades que afectan al material de roca en conjunto. En cuanto a propiedades geomecánicas, un macizo rocoso se considera como un medio discontinuo, anisótropo y heterogéneo.

4.2. CLASIFICACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS. La clasificación de macizos rocosos en base a aspectos geotécnicos, surge por la necesidad de obtener parámetros geomecánicos que sean útiles en el diseño de proyectos de ingeniería. Uno de los modelos de clasificación más utilizados es el propuesto por Bieniawski en 1973, que se conoce como RMR (Siglas de Rock Mass Rating). En esta clasificación se tienen en cuenta aspectos como:     

Resistencia uniaxial de la matriz rocosa Grado de fracturación en términos del RQD Espaciado de las discontinuidades Condiciones hidrogeológicas Orientación de las discontinuidades con respecto a la excavación

Para utilizar la clasificación RMR, se recomienda dividir el macizo rocoso en zonas más o menos homogéneas, es decir, que tengan propiedades geológicas similares. Para cada tramo definido, se toman datos referentes a las propiedades de la matriz rocosa y a las discontinuidades que estén presentes. Para la clasificación, se propone una tabla que sintetiza todos los parámetros de clasificación (figura 6) y además se relaciona el índice resultante RMR, con la clasificación del macizo rocoso (figura 7).

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4.3. MARTILLO SCHMIDT El martillo Schmidt o Esclerómetro es un aparato que dispone de un muelle en su interior, y de una punta retráctil, la cual al ser presionada contra la roca, hace que le muelle se dispare. Para tomar la medida, se debe limpiar el área sobra la cual se va a colocar el martillo, luego, se presiona le martillo hasta que salta el muelle. Hay que tener en cuenta que el aparato se debe colocar perpendicularmente a la superficie. El valor

4.4 INDICE SMR Éste índice se obtiene a partir del RMR, y sirve para evaluar la estabilidad de una excavación en el talud. El índice SMR se halla para cada familia de diaclasas identificada en el afloramiento, y se toma el menor valor de los obtenidos. .

5. UBICACIÓN Y MÉTODO DE TRABAJO Ubicación: La zona de estudio tiene lugar en la vía que conduce del municipio de Girón (Santander) hasta el aeropuerto, localizada en las coordenadas geográficas 7° 4,579´ N, 73° 11,012´O con una elevación sobre el nivel del mar de 831 metros.

Fig. 1: Zona de estudio generalizada (Fuente, Google Earth) 5

Fig. 2: Zona de estudio detallada (Fuente, Google Earth) Método de Trabajo: 

La toma de datos de campo se llevó a cabo en la zona mencionada anteriormente, tomando como punto de partida una planilla de apuntes donde se registran los datos de espaciado, continuidad, abertura, rugosidad y rellenos de las diferentes familias de diaclasas medidas.



Se optó por “dividir” el talud en 3 zonas diferentes con el fin de facilitar el trabajo para luego integrar los datos y generar una sola salida de resultado.



Se realizo toma de muestras de las zonas N y S respectivamente para determinar la densidad del material y establecer una resistencia uniaxial de compresión integrando los datos de rebote arrojados por el martillo Schmidt.



Con base en los conocimientos previos de geología se determinó la naturaleza de la roca en general con las diferentes composiciones encontradas como relleno en las diaclasas.

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6. TABLA DE DATOS

a. Registro de datos en la planilla (Tabla 1 – Tabla 2)

LITOLOGÍA

NATURALEZA: Sedimentaria

POTENCIA: ~ 23 m

FORMACIONES SUPERFICIALES DE FRACTURAS

NATURALEZA Y TEXTURA: Arenisca de grano medio

MORFOLOGÍA: Ladera de pendiente media

FRACTURACIÓN

RESISTENCIA DE MATRIZ ROCOSA

PLIEGUES

OTROS: Intervenida para ampliacion de la carretera Pequeños Muy Pequeños Muy Bechificado 10-30 > 30 > 60 Extrem. Dura Dura Muy Dura (Solo raya ( + 1 Golpe Martillo) x (Varios Golpes) con Martillo) 4 5 6

FALLAS

BLOQUES Jv Juntas/m3

Muy Grandes 20 < 0.1 0.1 - 0.25 0.25 - 0.5 0.5 - 2.5 2.5 - 10 > 10

Muy baja 6000

66 44 76 76 80 68 67 60 83 65 65 82 85 86 53 45

Extremadamente juntas Muy Juntas Juntas

104 102 102 130 275 280 300 260 73 60 65 300 270 303 201 215

< 20 20-60 60-200

Buzamiento

ZONAS

Rumbo

x

ESPACIADO (mm) RELLENOS

x x x x x x x x x x x x x x x x

Tabla 2. Características Geomecánicas del Talud

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b) Fotografía general del talud y representación gráfica de las Zonas 1, 2 y 3

Figura 3. Fotografía panorámica del talud y esquema del la zona 1, 2 y 3.

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7. RESULTADOS a) Tendencia de las Familias de Diaclasas (Diagrama de Rosetas) Dato Estructural del Talud 0/63

Tendencia de las Familias de diaclasas

Fig. 4: Diagrama de Rosetas

El diagrama de Rosetas se realizó con el software Stereonett, dando como resultado las tendencias de todas las familias de diaclasas, con esto se interpreta lo siguiente: dado que la orientación y la inclinación del talud no están coincidiendo con ningún dato estructural de las familias de diaclasas no ocurrirá fallamiento por tendencias estructurales en las diaclasas y el talud.

b) Cálculo de la Resistencia a partir del Martillo Schmidt y la densidad de la muestra:

Fig. 5: Ábaco utilizado para realizar la resistencia uniaxial a compresión, determinada tomando como punto de partida los rebotes registrados en el martillo con su respectiva inclinación, se determina la densidad de la muestra en el laboratorio para luego realizar la intersección con los datos del martillo obteniendo así la resistencia uniaxial a compresión.

REBOTES REGISTRADOS EN LA ZONA NORTE 20

17 20 10 15 REBOTES PROMEDIO 16,4

Tabla 3. Rebotes Zona Norte

REBOTES REGISTRADOS EN LA ZONA SUR 63

61 60 59 REBOTES PROMEDIO 59,8

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Tabla 4. Rebotes Zona Sur

Los datos registrados en las tablas 3 y 4 fueron obtenidos por los registros de los rebotes sucesivos que se realizaron con el martillo Schmidt tanto en la zona Norte como en la Sur; para la zona norte los datos arrojados no fueron muy buenos obteniendo un promedio de rebotes de 16,4 R, mientras que en la zona sur se obtuvo un promedio de 59,8 R con un total de 10 registros de datos, de los cuales se eliminaron los 5 valores más bajos y se promediaron los restantes más altos arrojando el resultado antes mencionado. La manera de obtener el dato de la resistencia uniaxial a compresión, es ubicar los datos promedios en la línea horizontal de la figura 5 teniendo presente la orientación del martillo, una vez ubicado este dato, se toma el dato de densidad arrojado del laboratorio y se ubica en las líneas de densidades con el fin de buscar el punto de intersección entre el rebote y la densidad para luego proyectarlo al eje “y” donde se indicara el valor la resistencia

en Mpa.

En nuestro caso la

resistencia uniaxial a compresión para la Zona Norte comprendida por la zona 3 dio σc = 20,1 Mpa (

), con un ρ = 21,4 kN/m3,mientras que para la Zona

Surdelimitada por las zonas 2 y 1 respectivamente es σc = 150 Mpa ( )con un ρ = 22,1 kN/m3,indicando un mejor comportamiento en las zonas 1 y 2. Una vez conocido el resultado de σc en las diferentes zonas, se remite a la tabla de clasificación RMR y se le asigna un puntaje según el rango en el que se encuentre situado el valor dado, en este caso para la Zona Norte se tienen 2 puntos, mientras que en la Zona Sur 12 puntos.

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c) Cálculo del RQD teórico Se calcula el RQD teórico debido a que no se cuenta con testigos de sondeo para realizar la relación entre la longitud del núcleo y los fragmentos no fracturados mayores a 10 cm, por tanto de los datos tomados en campo se registró que el espaciado de las juntas se encuentran en el intervalo de 0,2 – 0,6 metros, permitiendo así aplicar la relación teórica para el cálculo del RQD.

𝑹𝑸𝑫 = 𝟏𝟎𝟎−𝟎,𝟏𝝀(𝟎,𝟏𝝀+𝟏) ; 𝒄𝒐𝒏 𝝀 = 𝟏 𝒆𝒔𝒑𝒂𝒄𝒊𝒂𝒅𝒐 𝒆𝒏 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔 Aplicando la relación anterior, tenemos lo siguiente:  Para 0,2 metros de espaciado

𝑹𝑸𝑫 = 𝟏𝟎𝟎

−𝟎,𝟏

𝟏 𝟎,𝟐

𝟎,𝟏

𝟏 𝟎,𝟐

+𝟏

= 𝟎, 𝟎𝟑𝟐 ∗ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟑, 𝟐%

 Para 0,6 metros de espaciado

𝑹𝑸𝑫 = 𝟏𝟎𝟎

−𝟎,𝟏

𝟏 𝟎,𝟔

𝟎,𝟏

𝟏 𝟎,𝟔

+𝟏

= 𝟎, 𝟒𝟏 ∗ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟒𝟏%

Teniendo presente la relación de las diaclasas en las diferentes zonas de clasificación del talud, se le asigna una puntuación de 3 a las zonas 1 y 3, mientras que a la zona 2, 6 puntos. El porcentaje más crítico fue asignado a las zonas 1 y 3, ya que son las zonas que presentan mayor diaclasamiento y poco espaciado.

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d) Clasificación Geomecánica RMR (BIENIAWSKI, 1989)

Fig. 6: Clasificación Geomecánica RMR (BIENIAWSKI, 1989) tomado de, Ingeniería Geológica (González de Vallejo)

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Basándose en los parámetros estipulados en la tabla de clasificación RMR y lo datos registrados en la planilla de campo se obtuvo lo siguiente:

PARÁMETRO DE CLASIFICACIÓN RMR Compresion Simple

PUNTAJE ZONA 1

ZONA 2

ZONA 3

12

12

2

RQD (Teórico) 3 6 Separación entre 10 10 diaclasas Longitud de la 4 4 Discontinuidad Abertura 5 5 Rugosidad 3 1 Relleno 4 4 Alteración 5 5 Agua Freática 15 15 Corrección por orientación de las 0 0 discontinuidades Puntación General 61 62 AREA 616,032 1426,2805 PUNTUACION CON 37577,952 88429,391 AREA Σ Puntuación con Area 164656,383 PUNTUACION TOTAL

AREA = B*H m^2 ZONA 1 BASE

BASE

0

20,7

69,95

ALTURA 20,39

ZONA 3

4 5 1 2 5 15

ALTURA

ZONA 2

3 10

29,76

BASE

54,1

ALTURA

15,2

Tabla 6: Registro de las áreas correspondientes a cada zona del talud.

47 822,32 38649,04

57,47905988

Tabla 5: Asignación de puntajes para la clasificación RMR

Debido a que el talud fue dividido en tres zonas diferentes para facilitar la toma de datos, se debe tener presente el área de cada una de ellas para asignar una puntación general y poder integrar las zonas en una sola, los valores registrados en la tabla 5 corresponden a la base y la altura de las zonas 1, 2 y 3 (tomados de Google Earth), para luego ser multiplicado por la puntuación que recibe cada zona y ser dividido en la sumatoria del área total, en general es lo siguiente: RMR = (A1*P1+A2*P2+A3*P3)/(A1+A2+A3) RMR = (616,032*61+1426,2805*62+822,32*47)/(616,032 + 1426,2805 + 822,32) RMR = 57,479 4

Con la puntuación obtenida RMR = 57,479, el macizo rocoso se clasifica como Clase III de calidad media.

e) Clasificación Geomecánica de taludes SMR

Fig. 7: Clasificación Geomecánica de taludes SMR. Tomado de, Ingeniería Geológica (González de Vallejo)

𝑺𝑴𝑹 = 𝑹𝑴𝑹 + 𝑭𝟏 ∗ 𝑭𝟐 ∗ 𝑭𝟑 + 𝑭𝟒

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FAMILIA DE DIACLASAS αj αs T F1 F2 βj βs T F3 F4 RMR SMR

ZONA 1 1 109°

ZONA 2 1 278°

ZONA 3 2 66°

1 290°

2 208°

114°

110°

28°

0° N-S 71° 0,15 1 131°

98° 0,15 1 68°

0,15 1 51°

83°

50°

114°

146°

113°

63° 194° -25 0

131° -25 0 57,48 53,73

-25 0

Tabla 7. Valores determinados para la clasificación SMR según el tipo de rotura, en este caso se considera rotura por vuelco “T”.

Para determinar los valores F1, F2, F3 y F4, primero se identificó el tipo de rotura del talud para luego proceder a calcular “T” (rotura por vuelco), en las diferentes zonas de trabajo se tienen diferentes familias de diaclasas, se ajustaron según la tendencia de cada una de ellas y se calcularon los valores de F1, F2, F3; el cálculo del valor de F4 se determinó por método de excavación lo que da un valor de 0 por excavación mecánica. Una vez conocido los valores de “F” se aplica la ecuación mostrada en la figura 6 dando un valor SMR = 53,73: 𝑺𝑴𝑹 = 𝑹𝑴𝑹 + 𝑭𝟏 ∗ 𝑭𝟐 ∗ 𝑭𝟑 + 𝑭𝟒 𝑺𝑴𝑹 = 𝟓𝟕, 𝟒𝟖 + 𝟎, 𝟏𝟓 ∗ 𝟏 ∗ (−𝟐𝟓) + 𝟎

𝑺𝑴𝑹 = 𝟓𝟑, 𝟕𝟑

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f) Diseño de estabilización Al hacer uso de la clasificación geomecánica RMR, y la clasificación SMR junto con el cálculo RQD; se determino que es un macizo rocoso de clase III y calidad media (RMR) y clase III parcialmente estable (SMR), datos que son coherentes con lo visto en campo, sin embargo éste talud tiene una rata de erosión considerable ocasionado por efecto de la lluvia. Teniendo en cuenta los datos obtenidos de los diferentes tipos de clasificación el diseño o medidas que se recomiendan para estabilizar el talud son primero suavizar el ángulo del talud, como segunda medida sería realizar unos drenes en la parte superior del talud para que el agua sea direccionada hacia la alcantarilla, de tal manera el proceso erosivo será más lento y en menor proporción. Sumado a esto se aconseja cubrir el talud con una malla de alambre de acero que se fija mediante anclajes para roca en la zona estable del talud. Debido a que la malla se adaptara perfectamente a la superficie del talud como resultado del pretensado, se evita el movimiento de masas del sueño y fragmentos de roca. Luego no habrá necesidad de tener que vaciar las bolsas de material acumulado.

Figura 8. Diseño de Malla con anclajes para estabilización del talud. (tomado de geobrugg TECCO® estabilización y control de la erosión de taludes y laderas inestables, con respeto al medio ambiente).

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8. CONCLUSIONES 

El diagrama de rosetas permitió definir la tendencia de las juntas y compararlas con la inclinación del talud, esta tendencia no coincide con la inclinación del talud por lo tanto se considera que no ocurrirá un fallamiento de tipo estructural.



El cálculo del RQD (rock quality designation) permitió definir las zonas criticas del talud, las cuales son la zona 1 y la zona 3 con una puntuación de 3, mientras que la zona 2 con un 6 puntos. Para definir estas puntuaciones se tuvo en cuenta la relación entre las diaclasas y en las diferentes zonas de clasificación del talud.



Según la clasificación RMR (rock mass rating) el macizo obtuvo una puntuación de RMR= 57.479, esto es un macizo de clase III de calidad media. Al realizar la corrección SMR (Slope Mass Rating) para poder predecir el comportamiento de los taludes en roca con mayor precisión, éste dio SMR: 53.73 lo cual lo clasifica como un macizo parcialmente estable, resultado coherente con los análisis de RMR.



Se concluye que la estabilidad del talud es intermedia, sin embargo para mitigar la posible inestabilidad que se pueda presentar, se recomienda realizar un drene en la cabeza del talud y el cubrimiento del éste con una malla de acero con anclajes que lleguen a la parte estable de la roca.

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9. RECOMENDACIONES 

El dato estructural de la dirección del talud se tomó sobre la parte plana del talud, se recomienda para un análisis más acertado tomar una dirección promedio de la inclinación.

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10. BIBLIOGRAFIA GONZALEZ LUIS, FERRER MERCEDES, ORTUÑO LUIS, OTEO CARLOS. ‘‘Ingeniería Geológica’’. Editorial Pearson. Madrid. 2002. GOOGLE EARTH JAIME SUAREZ DIAZ, DESLIZAMIENTOS Y ESTABILIDAD DE TALUDES EN ZONAS TROPICALES, Instituto de Investigaciones sobre Erosión y Deslizamientos.

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