2° MINI CURSO ONLINE "MAPEO GEOMECANICO PARA TUNELES Y/O EXCAVACIONES SUBTERRANEAS CLASIFICACION GEOMECANICA Q BARTON” Presentado por: Ing. Guillermo Rodríguez C. Especialista en Geomecánica y Geotecnia
CLASIFICACION GEOMECANICA Q
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON
Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF RQD = Representa la Estructura de la masa rocosa, la cual es medida del tamaño Jn del bloque o de la partícula, con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20). TAMAÑO DE BLOQUES Jr = Representa la rugosidad y características friccionantes de las paredes de Ja la junta o los materiales de relleno (4/0.75 y 0.5/20). RESISTENCIA AL CORTE ENTRE LOS BLOQUES Jw = Consiste en dos parámetros de esfuerzos. SRF es una medida de: SRF 1) La carga de aflojamiento en el caso de una excavación a través de zonas de corte y rocas portadoras de arcilla. 2) Esfuerzos rocosos en rocas competentes. 3) Cargas de alta deformación en rocas plásticas incompetentes. Esto puede ser considerado como un parámetro de esfuerzo total. 4) El parámetro Jw es una medida de presión de agua, la cual tiene un efecto adverso sobre la resistencia al corte de las juntas, debido a la reducción del esfuerzo normal efectivo. ESFUERZO EFECTIVO (1/0.5 y 0.05/20)
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON
Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF EL RANGO DE VARIACION DE LOS PARAMETROS ES EL SIGUIENTE:
RQD = Entre 0 y 100 Jn = Entre 0.5 Y 20 Que nos da dos valores extremos (100/0.5 y 10/20). Jr Ja
= Entre 0.5 y 4 = Entre 0.75 y 20 Que nos dos valores extremos (4/0.75 y 0.5/20).
Jw = Entre 0.05 y 1 SRF = Entre 0.5 y 20 Que nos da dos valores extremos (1/0.5 y 0.05/20)
DIMENSION EQUIVALENTE De RELACIONANDO EL INDICE Q A LA ESTABILIDAD Y A LOS REQUERIMIENTOS DE SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS, BARTON Et.al (1974) DEFINIÓ UN PARÁMETRO ADICINAL AL QUE DENOMINARON DIMENSION EQUIVALENTE De DE LA EXCAVACIÓN. ESTA DIMENSION ES OBTENIDA DIVIDIENDO EL ANCHO, DIAMETRO O ALTRURA DE LA PARED DE LA EXCAVACION POR UNA CANTIDAD LLAMADA RELACION DE SOSTENIMIENTO DE LA EXCAVACION, ESR. :
De = Ancho,diámetro altura excavación Relación de sostenimiento (ESR) EL VALOR DE ESR ESTA RELACIONADO AL USO QUE SE LE DARA A LA EXCAVACION Y AL GRADO DE SEGURIDAD QUE ESTA DEMANDE DEL SISTEMA DE SOSTENIMIENTO INSTALADO PARA MANTENER LA ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION
VALORES DE ESR, BARTON et.al (1974) CATEGORIA DE EXCAVACIONES
A
DESCRIPCION
Excavaciones mineras temporales
ESR
3- 5
B
Aberturas mineras permanentes, túneles de agua para hidroeléctricas (excluyendo conductos forzados de alta presion), tuneles, galerías y sovavones para grandes excavaciones.
1.6
C
Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de agua, túneles carreteros y ferrocarrileros menores, camaras de equilibrio, tuneles de acceso.
1.3
D
Casas de máquinas, túneles carreteros y ferocarriles mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túnel.
1.0
E
Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deportes y reuniones, fábricas.
0.80
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON RQD 1.- INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA Descripción RQD % MUY POBRE 0 - 25 POBRE 25 - 50 REGULAR 50 - 75 BUENA 75 - 90 EXCELENTE 90 - 100 Nota: i ) Estimar el RQD con 5% de aproximacion ii ) Cuando no se disponga de testigos RQD = 115 - 3.3 Jv Donde: Jv: N° de Diaclasas por m3 iii) Si el RQD es menor de 10, emplear un valor nominal 10 2.- NUMERO DE DISCONTINUIDADES descripción
Jn
ii ) Cuando no se disponga de testigos RQD = 115 DE - 3.3 CLASIFICACION Jv Donde: Jv: N° de Diaclasas por m3 SISTEMA DE BARTON iii) Si el RQD es menor de 10, emplear un valor nominal 10
Jn
2.- NUMERO DE DISCONTINUIDADES descripción Masiva o con muy poca discontinuidad Un sistema de discontinuidad Un sistema de principal y uno secundario Dos sistemas de discontinuidad Dos sistemas principales y uno secundario Tres sistemas de discontinuidades Tres sistemas principales y uno secundario Cuatro sistemas de discontinuidades o mas ( roca muy fracturada ) Roca triturada ( Terrosa ) Nota: i) Para intersecciones de tuneles, usar (3.0*Jn) ii) Para portales usar (2.0*Jn)
Jn 0.5 - 1.0 2 3 4 6 9 12 15 20
( RQD = 20 to 50)
(Jn 9)
(3 a 4 familias de discontinuidades)
Jn = 15
(Arenisca Masiva en Zion National Park, USA. Jn = 2 →3)
Jv = 2.5 + 5.0 + 4.0 = 11.5/ m3
RQD ≈ 77 % (Palmström equation - ORIGINAL)
Roca competente o no?…RQD puede ser CERO? (RQD minimo = 10%)
RQD POTENCIALMENTE ANISOTROPICO Jn is obviamente 9 (tres set)
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON Jr Jr FACTOR DE RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES
A B C D E F G
DESCRIPCION Diaclasas discontinuas Rugosas e irregulares, onduladas Lisas, Onduladas Lustrosas Ondulantes Rugosas o irregulares, planares Lisas, Planares Lustrosas, Planares
4 3 2 1.5 1.5 1 0.5
H
Zona conteniendo arcillas en cantidad suficiente como para impedir el contacto entre las superficies que limitan la fractura
1
J
Zona de material arenoso en cantidad suficiente como para impedir el contacto entre las superficies que limitan la fractura
1
NOTAS. En grupos A hasta la G, el contacto entre las superficies de la discontinuidad se logra con desplazamientos de cizalla inferiores a los 10 cm. Las descripciones se refieren a las características de pequeña escala y características de escala intermedia, en ese orden. En los grupos H y J no se produce contacto entre las superficies
al ocurrir desplazamientos de cizalla * Agregar 1.0 cuando el espaciamiento medio de las diaclasas fuera superior a 3 cm. * Jr= 0.5 puede ser usado para juntas planares lustrosas que tienen alineaciones, siempre que las alineaciones están orientadas para la resistencia mínima
Jr = 3
Jr = 3
Jr = 1.5 y 2
Jr = 1.0 a 1.5
Jr = 1.0 ……….. (Estacion de Metro: Hong Kong)
Jr = 1.5
Jr = 2
Jr/Ja = (1-1.5)/(2-4)
Cual es la relacion existente entre Jr y JRC?
(Algunos detalles de JRC, JCS metodos son mostrados acontinuacion
Relacion entre Jr y JRC
PRINCIPALES METODOS PARA ESTIMAR LA RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES
1
0-2
2
2-4
3
4-6
4
6-8
5
8 - 10
6
10 - 12
7
12 - 14
8
14 - 16
9
16 - 18
10
18 - 20 0
5
10 cm
100 mm approx.
ESCALE
100 mm up to 10 m
MIDIENDO LA RUGOSIDAD CON EL PEINE DE BARTON
La grafica de la izquierda nos permite escalar, las diversas medidades del peine de barton.
Joint Roughness Coefficient (JRC) JRC=0.5 JRC=1 JRC=2 JRC=3 JRC=4 JRC=5 JRC=6 JRC=8 JRC=10 JRC=12 JRC=16 JRC=20 F6a-ZA-B1 F6a-ZA-B2 F6a-ZA-B3 F6a-ZA-B4 F6a-ZA-B7 F6a-ZA-B8 F6a-ZA-B11 F6a-ZA-B13 JRC=22 JRC=24 JRC=26 JRC=28 JRC=30
1000.00
Amplitude of Asperities (mm)
100.00
10.00
1.00
0.10 0.1
1
Length of Profile (m)
10
a/L
Mean JRCn = 11
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON Ja FACTOR DE ALTERACION DE LAS DISCONTINUIDADES DESCRIPCION
Ja
a) Contacto entre superficies de la discontinuidad (sin relleno de mineral, solo recubrimientos)
A B
Ajustadas, rellenas con material compacto 0.75 Superficies inalteradas, ligeras manchas 1 de oxidacion C Superficies ligeramente alteradas, cubiertas 2 con material granular no arcilloso, producto de la desintegracion de la roca. D Capas superficiales de material limoso o 3 arcilloso arenoso, con una pequena fraccion cohesiva. E Capas superficiales de arcilla ( caolinita, mica 4 cloritas, etc.) cantidades pequeñas de arcilla expansiva en capas de 1- 2 mm de espesor b) Contacto entre superficies de la discontinuidad se produce despues de 10cm de (relleno de mineral fino) F Relleno granular no cohesivo, roca desintegrada 4 libre de particulas arcillosas G Material con alto grado de consolidacion, 6 relleno continuo ( hasta de 5mm. de espesor) de material arcilloso compacto. Relleno continuo ( hasta de 5mm. De espesor) de material H, I 8 arcillosos compacto con bajo grado de consolidacion J
Relleno continuo de arcilla expansivas (Montmorillonita)
8 - 12
el valor de Ja dependera del % de expansion, el tamaño de las particulas arcillosas, la accesibilidad del agua, etc. c) No contacto entre superficies de la discontinuidad despues de cizalla (relleno de mineral grueso) K,L. M Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y 6-8ó arcilla ( ver G,H,J para la descripcion de los tipos de arcilla) 8 - 12 N Zona de arcilla limosa o arenosa 5 O,P,Q Zonas potentes y continuas de arcilla ( ver G,H,J para la 10 - 13 ó descripcion de los tipos de arcilla) 13 - 20.
a) Contacto Roca - Roca
b) Roca-Roca despues del cizalla
c) No contacto Roca-Roca
Ja = 2 for ‘degradado’’, tal vez Ja = 4 or 6 para relleno de ‘arena o arcilla’
Ja categoria (a)
(b)
( b) or (c)
(c)
Jr/Ja = 1/5 (Categoria c – No contacto RocaRoca)
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON Jw FACTOR DE REDUCCION POR CONTENIDO DE AGUA EN FRACTURAS
A B C D E F
DESCRIPCION Jw Secas o flujos bajos ( 5 l/min) 1 Flujos a presiones medias que ocasionen erosion del material 0.66 de relleno Flujos o presiones altas en roca competente con diaclasas 0.5 sin relleno Flujos a presiones altas con erosion considerable del material 0.33 de relleno Flujos o presiones excepcionalmente altas luego de la voladura 0.2 - 0.1 disminuyendo con el tiempo Flujos o presiones excepcionalmente altas sin que ocurra una 0.1 - 0.05 disminucion en el tiempo
NOTAS. i) Factores C a F son estimaciones basicas. Aumentar Jw si se han instalado medidas de drenaje. ii) Especiales problemas causados por la formacion de hielo no son considerados. iii) Para la caracterización general de las masas de roca distantes de las influencias de excavación, el uso de Jw = 1,0, 0,66, 05, 0,33, etc , aumenta con la profundidad como por ejemplo 0-5m, 5-25m, 25-250m a> 250m se recomienda, si se asume que RQD / Jn es lo suficientemente bajo (ejemplo 0,5-25) para una buena conectividad hidráulica. Esto le ayudará a ajustar Q para algunos de las tensiones efectivas y los efectos de ablandamiento de agua, en combinación con los valores apropiados de caracterización SRF. Correlaciones con módulo de deformación estática y la profundidad dependen de la velocidad sísmica. En la práctica usar estos valores cuando se desarrollan.
Jw = 1 o 0.66
Jw = 0.5
Jw = 0.2
Jw = 0.66
Jw = 0.1 o 0.2
Jw < 0.5
(Kashmir)
280 dias de demora debido a un evento con Jw = 0.05
FACTOR DE REDUCCION POR TENSIONES
S R F
DESCRIPCION SRF A) Las zonas debiles intersectan a la excavacion, pudiendo producirse desprendimientos de rocas a medida que la excavacion del tunel va avanzando. A Muchas zonas debiles de arcilla con evidencias de desintegracion quimica 10 roca circundante muy suelta cualquier profundidad B Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada quimicamente 5 (profundidad menor 50m) C Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada, profundidad mayor 50m. 2.5 D Muchas zonas de falla en roca competente, roca circundante suelta. 7.5 (cualquier profundidad) E Zona de falla aislada en roca competente profundidad menor a 50 m. 5 F Zona de falla aislada en roca competente profundidad mayor a 50 m. 2.5 Diaclasas abiertas y sueltas roca intensamente fracturada,en terrones, cualquier prof. G 5 Nota: i) Reducir estos valores de SRF por 25-50% si las zonas de fallas influyen pero no intersectan la excavacion.
B) Rocas competentes, problemas tensionales en las rocas
sc/s1
sq/sc
H Tensiones bajas, poca profundidad, diaclasas abiertas > 200 < 0.01 J Tensiones moderadas, condiciones tensionales favorables200 - 10 0.01 - 0.3 Tensiones elevadas, estructura muy compacta. K Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser 10 - 5 0.3 - 0.4 desfavorable para la estabilidad de los hastiales Lajamiento moderado de la roca despues de 1 hora en L 5 - 3 0.5 - 0.65 rocas masivas
SRF 2.5 1 0.5 - 2
5 - 50
M
Lajamiento y estallido de la roca despues de pocos minutos en rocas masivas
3-2
0.65 - 1
50 - 200
N
Estallidos violentos de roca (deformacion explosiva) y deformaciones dinamicas inmediatas en rocas masivas
1
200 - 400
deformaciones dinamicas inmediatas en rocas masivas
S R F
Nota: ii) Para campos insitu fuertemente anisotropico(si se ha medido): cuando 55 10 a 20 Nota: iv) Casos de deformaciones de roca pueden ocurrir para profundidades H>350*Q^(1/3). La resistencia a la compresion de la masa rocosa puede ser estimada como q=7*g*Q^(1/3) , donde g=densidad de la roca(gm/cc) D) Rocas expansivas: Actividad expansiva quimica dependiendo de la presencia de agua R Presion de expansion suave S presion de expansion intensa
5 - 10 10 - 15
FACTOR DE REDUCCION POR TENSIONES DESCRIPCION SRF A) Las zonas debiles intersectan a la excavacion, pudiendo producirse desprendimientos de rocas a medida que la excavacion del tunel va avanzando. A Muchas zonas debiles de arcilla con evidencias de desintegracion quimica 10 roca circundante muy suelta cualquier profundidad B Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada quimicamente 5 (profundidad menor 50m) C Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada, profundidad mayor 50m. 2.5 D Muchas zonas de falla en roca competente, roca circundante suelta. 7.5 (cualquier profundidad) E Zona de falla aislada en roca competente profundidad menor a 50 m. 5 F Zona de falla aislada en roca competente profundidad mayor a 50 m. 2.5 Diaclasas abiertas y sueltas roca intensamente fracturada,en terrones, cualquier prof. G 5 Nota: i) Reducir estos valores de SRF por 25-50% si las zonas de fallas influyen pero no intersectan la excavacion.
B) Rocas competentes, problemas tensionales en las rocas H J K
L
sc/s1
sq/sc
Tensiones bajas, poca profundidad, diaclasas abiertas > 200 < 0.01 Tensiones moderadas, condiciones tensionales favorables 200 - 10 0.01 - 0.3 Tensiones elevadas, estructura muy compacta. 10 - 5 0.3 - 0.4 Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de los hastiales Lajamiento moderado de la roca despues de 1 hora en 5-3 0.5 - 0.65 rocas masivas
M
Lajamiento y estallido de la roca despues de pocos minutos en rocas masivas
N
Estallidos violentos de roca (deformacion explosiva) y deformaciones dinamicas inmediatas en rocas masivas
SRF
0.5 - 2
5 - 50
3-2
0.65 - 1
50 - 200
1
200 - 400
C) Rocas deformables: flujo plastico de roca incompetente a altas sq/sc SRF presiones litostaticas O Presion de deformacion suave 1-5 5 a 10 P Presion de deformacion intensa >5 10 a 20 Nota: iv) Casos de deformaciones de roca pueden ocurrir para profundidades H>350*Q^(1/3). La resistencia a la compresion de la masa rocosa puede ser estimada como q=7*g*Q^(1/3) , donde g=densidad de la roca(gm/cc) D) Rocas expansivas: Actividad expansiva quimica dependiendo de la presencia de agua Presion de expansion suave presion de expansion intensa
a) Zonas de debilidad de Fallas
2.5 1
Nota: ii) Para campos insitu fuertemente anisotropico(si se ha medido): cuando 5 200 < 0.01 J Tensiones moderadas, condiciones tensionales favorables200 - 10 0.01 - 0.3 Tensiones elevadas, estructura muy compacta. K Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser 10 - 5 0.3 - 0.4 desfavorable para la estabilidad de los hastiales Lajamiento moderado de la roca despues de 1 hora en L 5 - 3 0.5 - 0.65 rocas masivas
SRF 2.5 1 0.5 - 2
5 - 50
M
Lajamiento y estallido de la roca despues de pocos minutos en rocas masivas
3-2
0.65 - 1
50 - 200
N
Estallidos violentos de roca (deformacion explosiva) y deformaciones dinamicas inmediatas en rocas masivas
1
200 - 400
Nota: ii) Para campos insitu fuertemente anisotropico(si se ha medido): cuando 55 10 a 20 Nota: iv) Casos de deformaciones de roca pueden ocurrir para profundidades H>350*Q^(1/3). La resistencia a la compresion de la masa rocosa puede ser estimada como q=7*g*Q^(1/3) , donde g=densidad de la roca(gm/cc) D) Rocas expansivas: Actividad expansiva quimica dependiendo de la presencia de agua R Presion de expansion suave S presion de expansion intensa
5 - 10 10 - 15
Alteracion hidrotermal de granito conteniento Montmorillonita (SRF = 15, o mas?)
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON TIPOS DE ROCAS
CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO BASADAS EN INDICE DE CALIDAD Q
SOSTENIMIENTOS SEGÚN EL INDICE Q
SOSTENIMIENTOS SEGÚN EL INDICE Q
TIPOS DE SOSTENIMIENTO (BARTON et at,1974)
PRESIONES SOBRE EL SOSTENIMIENTO (BARTON et al, 1974)
CORRELACION ENTRE LOS INDICES RMR Vs. Q SE HAN PROPUESTO DISTINTAS CORRELACIONES EMPIRICAS PARA RMR Y Q, ALGUNA DE LAS MAS CARACTERISTICAS SON LAS SIGUIENTES:
RMR = 9 Ln Q + 44 (BIENIAWSKI, 1979, SUDAFRICA) RMR = 5.9 Ln Q + 43 (RULEDGE Y PRESTON, 1980, NUEVA ZELANDIA) RMR = 5.4 Ln Q + 55.2 (MORENO, E. 1981, ASTURIAS) RMR = 10.5 Ln Q + 41.8 (ABAD, J. Et Al 1983, ASTURIAS) RMR = 5 Ln Q + 60.8 (CAMERON CLARK Y BUDAVARI 1981, SUDAFRICA) TANTO EN LAS CLASIFICACIONES EMPIRICAS COMO EN LA DESCRIPCIÓN CUALITATIVA NO COINCIDEN NI EN SUS CLASES NI EN SUS COEFICIENTES DE REGRESIÓN. KAISER Y GALE (1985), BASÁNDOSE EN LOS ESTUDIOS PROBABILÍSTICOS HA PROPUESTO UNA ÚNICA RELACIÓN:
Ln Q + 35
RMR = 8.5
CORRELACION ENTRE CLASIFICACIONES GEOMECANICAS (BIENIAWSKI,1979)
CORRELACION ENTRE CLASIFICACIONES GEOMECANICAS (BIENIAWSKI,1979) SEGÚN EL GRAFICO ANTERIOR AMBAS CLASIFICACIONES TENDRIAN LAS SIGUIENTES EQUIVALENCIAS:
CLASES RMR
VALORES RMR
CLASES Q
VALORES Q
I
90 ± 10 Muy buena
Extremadamente o excepcionalmente buena
> 200
II
70 ± 10 Buena
Buena a muy buena
20 – 20
III
50 ± 10 Regular
Muy mala a buena
0.3 – 20
IV
30 ± 10 Mala
Extremadamente mala
0.003 – 0.3
V
10 ±
Excepcionalmente mala
< 0.003
Muy Mala
CORRELACION ENTRE CLASIFICACIONES GEOMECANICAS MODULO DEFORMACION IN SITU Em
TALLER APLICATIVO: CLASIFICACION GEOMECANICA Q (VER VIDEO)
GRACIAS
Guillermo Rodríguez Cayllahua E-mail:
[email protected] https://www.facebook.com/capacitacion.geomecanica
