Material de Estudio - Parte i

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PLANEAMIENTO DE PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS

Ph. D. Carlos Agreda Turriate Consultor Intercade

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PLANEAMIENTO DE PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS

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PLANEAMIENTO DE PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS Introducción En la actualidad, la industria minero-metalúrgica es importante en el desarrollo del Perú; la cual atraviesa una etapa de constante crecimiento debido a distintos factores, tal es el caso de la gran demanda internacional de metales que trae consigo el incremento de sus precios, precios mejoras tecnológicas tanto para el proceso de explotación como en la etapa de tratamiento metalúrgico.

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Dentro de este proceso productivo, existen diferentes etapas antes, durante y después de la operación minera en general. Una de las más importantes está dentro de la etapa de explotación: el ciclo de minado. Es aquí donde se encuentran las operaciones de perforación y voladura, siendo estas las primeras que se realizan en este ciclo. Teniendo en cuenta que la fragmentación obtenida como el producto de las operaciones mineras unitarias binomiales de perforación y voladura es la variable aleatoria más importante en todo complejo minero minero-metalúrgico; metalúrgico; es que varios investigadores a nivel mundial han dedicado su vida a investigar las operaciones mineras unitarias mencionadas anteriormente.

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Por otro lado, se sabe que las formas más frecuentes de atacar al macizo rocoso son las siguientes:  Con la energía mecánica producida por la perforadora.  Con la energía fisicoquímica producida por la detonación de una MEC. En este módulo se describirá, analizará y discutirá el ataque mecánico al macizo rocoso por la operación minera unitaria de perforación. Se debe mencionar que también existen otras metodologías para atacar al macizo rocoso: fuego, energía eléctrica e hid á li hidráulica; obteniendo bt i d mejores j resultados lt d de d fragmentación f t ió de la roca con la energía físico-química producida por la detonación de una MEC.

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PLANO TOPOGRAFICO

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4 7 Mineral in situ Perforación

Fragmentación

Voladura

Fragmentación

DIAGRAMA CONCEPTUAL N.º 1

Carguío y acarreo

M Muestra t cómo ó la l variable i bl

Transporte

aleatoria fragmentación Chancadora primaria

interrelaciona a todas las operaciones de un complejo

Conveyor

Fragmentación

Transporte

minero-metalúrgico. Chancadora secundaria

Molienda

Fragmentación

Fragmentación

Siguientes etapas del procesamiento de minerales

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PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION

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PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION Introducción Para llevar a cabo el planeamiento de la perforación, perforación se debe conocer al macizo rocoso en toda su dimensión en los siguientes términos:  Mecánica de rocas  Geomecánica  Geología g estructural,, etc. Como se sabe, el macizo rocoso es totalmente aleatorio; cuanto más se conozca el macizo rocoso, se obtendrá mejores resultados: fragmentación de la roca. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Modelo geológico

Modelo geomecánico

Características de la muestra de roca intacta

Clasificaciones geomecánicas

Análisis de tensiones Relaciones tensodeformacionales Diseño de excavaciones

Descripción D i ió d de discontinuidades

l las

Estado de la tensión de los macizos rocosos

del

macizo

Resistencia de los macizos rocosos

Caracterización rocoso

Modelo matemático

Sondajes

Diseño de los sistemas sostenimiento

Hidrogeología Métodos geofísicos

Litología

Calidad del macizo rocoso

Equilibrio límite

Meteorización

Tensiones naturales

Modelos continuos

Estructuras geológicas

Propiedades mecánicas de las discontinuidades

Modelos discontinuos

Características geomecánicas de las discontinuidades, etc.

Propiedades mecánicas de los materiales, etc.

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MECANICA DE ROCAS Propiedades físicas

Mecánica de rocas

Propiedades mecánicas Teoría de fallas Teoría de la elasticidad

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MECANICA DE ROCAS Las características físico-mecánicas del macizo rocoso se mencionarán en forma general.

Propiedades físicas

Densidad 

Peso natural Volumen

( g / m3 )

Densidad Gravedad específica (G) Peso específico () Porosidad (n) Permeabilidad, etc.

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PROPIEDADES MECANICAS Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de carga puntual Ensayo de corte directo E Ensayo para lla d determinación t i ió d de constantes t t elásticas lá ti Ensayo de compresión triaxial Ensayo de tracción indirecta (brasilero)

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TEORIA DE LA ELASTICIDAD La teoría de elasticidad aplicada para el diseño de estructuras rocosas Para el diseño de estructuras rocosas, se ha venido asumiendo las propiedades elásticas de la roca y llevar acabo dicho análisis matemático basado en la teoría de la elasticidad. Tales diseños a veces son exitosos, otros parcialmente en caso de taludes y cimentaciones. Por lo tanto, es muy importante definir los límites de aplicabilidad de la teoría de la elasticidad para el diseño en estructuras rocosas. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Se ha mostrado por definición de la elasticidad que las rocas no son puramente elásticas, pero que algunas tienen propiedades deformacionales aproximadamente a la forma cuasi elásticas particularmente algunas rocas cohesivas de cuasi-elásticas, grano fino y rocas masivas con bajos niveles de esfuerzos. Por lo dicho anteriormente, se debe establecer el conocimiento de que las rocas por naturaleza son normalmente discontinuas, conteniendo varios tipos de di discontinuidades ti id d geológicas ló i estructurales t t l (diaclasas, (di l f ll fallas, contactos, estratos, etc.) que además pueden contener agua en cantidades variables.

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Para la determinación de los límites de la teoría de la elasticidad, se debe tener en cuenta algunos factores de las estructuras de la roca. Sin embargo, generalmente se debe seguir ciertos lineamientos ya establecidos. Las estructuras rocosas cercanas a la superficie no deberán ser tratadas como un medio elástico continuo,, no obstante que las propiedades del material rocoso (muestra) pueden ser cercanamente elásticos, a menos que esté presente un mínimo de discontinuidades. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Para el criterio de diseño en un macizo rocoso, se debe tener en cuenta la fricción y las discontinuidades estructurales. Las estructuras rocosas con algunas fracturas cercanamente ubicadas no deberán ser tratadas como un medio elástico continuo. Las rocas con E < 5 x 105 kg/cm2 no deberán ser consideradas id d como un medio di elástico, lá i excepto tomando d ciertas precauciones.

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CONSTANTES ELASTICAS El módulo de elasticidad de Young (E)

E

E: módulo de elasticidad o modulo de Young σ: esfuerzo : deformación d f ió

La relación Poisson ()

  x z Modulo de rigidez (G)

G

 

Índice de bulk o compresibilidad Bulk Modulus, K  

 3

3  2  3

Constante de Lame (λ)

E 2(1   )



E (1)(1 2)

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TEORIA DE FALLAS Para el presente curso, solo se mencionarán las teorías de fallas propuestas por los investigadores, porque estas ya han sido estudiadas. estudiadas Cabe enfatizar que la teoría más usada es la de Hoek & Brown. Criterio de falla de Mohr (roca sin cohesión) Criterio de falla de Coulomb Criterio de falla de Mohr-Coulomb Criterio de falla de Griffith Criterio de falla de Griffith (modificado) Criterio de falla de Hoek & Brown

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An empirical criterion of failure defined by the envelope to a series of Mohrs circles: A. direct tension; B. Brazilian; C. unconfined compression; D. triaxial compression.

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The Mohr-Coulomb failure criterion with a tension

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Comparison of empirical of envelope and Mohr-Coulomb criterion in the tensile region. Inside the ruled region, the MohrCoulomb criterion with tension cutoff overestimates the stength.

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ANALISIS DE LOS ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DEL MACIZO ROCOSO Las propiedades mecánicas de las rocas son gobernadas por la reacción de estas a las fuerzas, actuando sobre ellas. Estos esfuerzos esf er os inducen ind cen a la roca un n estado de fallamiento, fallamiento una na cantidad con la dimensión de fuerza por área unitaria, y un estado de deformación, una cantidad adimensional expresando la deformación en términos de la dimensión original. La relación entre esfuerzo y deformación en un material idealizado forma la base de las teorías matemáticas de elasticidad, viscosidad y reología; las cuales pueden a su vez ser aplicadas a materiales reales (en este caso las rocas) para estimar los esfuerzos o deformaciones en un campo de fuerzas definido. El entendimiento de los esfuerzos y deformaciones y, de los principales esfuerzos y el análisis de las deformaciones es, por lo tanto, muy importante para el ingeniero encargado de diseñar excavaciones dentro del macizo rocoso. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Es la fuerza interna por unidad de área cuando dicha área tiende a cero. E f Esfuerzo normall (σ). ( ) Es E la l componente t normall del d l esfuerzo: la componente perpendicular al plano sobre el cual actúa el esfuerzo. Esfuerzo tangencial (). Es la componente tangencial del esfuerzo: la componente paralela al plano sobre el que actúa el esfuerzo.

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ESFUERZOS Y DEFORMACIONES AXIALES Considerando la siguiente figura, se puede escribir lo siguiente:

Esfuerzo axial

Deformación axial

Axial strees :  A 

P A

Axial strain :  A 

L L

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σA

Slope 

A A

Descargando

σA vs. A para rocas elásticas ideales, las cuales no son isotrópicas. Cargando A

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P

A L

L

Cuando se obtienen taludes muy inclinados, es por que la carga actuó muy rápidamente sobre el espécimen. La mayoría de las rocas no son idealmente elásticas. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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GEOMECANICA

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D. Deere RQD

Palmström Priest and Hudson

Índice de calidad geomecánica del macizo rocoso

RMR

Bieniawski

Q

N. Barton

RSR

Wikham

RMi

Palmstrom

GSI

Hoek & Marinos

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DEFINICION Según Bieniawski, es la ciencia e ingeniería que estudia los suelos y los materiales rocosos, lo mismo que a los macizos rocosos. Este es un campo de práctica profesional e investigación que trata de lo anteriormente mencionado. La geomecánica contribuye a un número de disciplinas tales como Ingeniería de Minas, Civil, Geológica, Petrolera y de Gas Natural. Natural Estas disciplinas se estudian para diseñar y construir algunos proyectos, tales como minas, túneles, cimentaciones, estabilidad de taludes, piques, perforaciones en la búsqueda de petróleo y gas, etc.

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La geomecánica permite mejorar ambos: el ambiente donde vivimos y la calidad de vida de los habitantes del planeta Tierra.

Objetivos Conocer las características geomecánicas de las rocas para minimizar y/o evitar el deslizamiento de los taludes.

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CARACTERIZACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO Para utilizar el mapeo geológico y geomecánico de las discontinuidades del macizo rocoso, rocoso es necesario clasificar y cuantificar sus efectos en el proceso de excavación de dicho macizo. A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificación y caracterización del macizo rocoso, pero los más usados son los siguientes: g Rock Quality Designation (RQD-Index) Rock Mass Rating System (RMRs-value) Rock Mass Quality (Q System-value) P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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18 Estos sistemas han sido desarrollados principalmente para evaluar la reducción de la estabilidad de un macizo rocoso interceptado por algunos planos. Sin embargo, ellos también pueden proveer cierta ayuda para estimar la influencia de las características del macizo rocoso durante el proceso de excavación.

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ROCK QUALITY DESIGNATION RQD El geólogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba su trabajo profesional en el ámbito de la mecánica de rocas, postuló que la calidad estructural de un macizo rocoso puede d ser estimada ti d a partir ti de d la l información i f ió dada d d por la l recuperación de testigos intactos. Sobre esta base propone el índice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation). El RQD se define como el porcentaje de testigos recuperables p con una longitud g mayor o igual a 10 cm.

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RQD 

 Longitud total de testigos  10cm

x100

Longitud total

Basándose en los rangos de los valores del RQD, el macizo rocoso puede ser caracterizado según la valoración siguiente: RQD (%)

Calidad de la roca

100-90

Muy buena

90 75 90-75

B Buena

75-50

Mediana

50-25

Mala

25-0

Muy mala

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En caso que no se cuente con testigos adecuados, Palmström (1982) propone que el RQD puede ser calculado, definiendo un RQD superficial según la siguiente expresión matemática: Donde Jv: número de contactos por m3 Jv: Jx + Jy + Jz Para Jv < 5 → RQD = 100

RQD  115  3.3 x J v (%) P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Priest y Hudson (1976) proponen el RQD, el cual puede ser calculado usando la siguiente expresión matemática:

RQD  100 e  0 . 1  0 .1   1  Donde



N.º discontinuidades m

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RMR (ROCK MASS RATING) DE BIENIAWSKI 1979 Desarrollado en Sudáfrica por Z. T. Bieniawski en 1973 y posteriormente modificado por él mismo en 1976 y en 1979. También es conocido como CSIR (South African Council for Scientific and Industrial Research) (Consejo de África del Sur para la Investigación Científica e Industrial). Actualmente, se usa la edición de 1989 que coincide sustancialmente la con de 1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca, se hace uso de los parámetros del macizo rocoso que se mencionan posteriormente. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRS) Esta caracterización ingenieril de los macizos rocosos utiliza los siguientes seis parámetros, los cuales son medibles en el campo y también pueden ser obtenidos de la base de datos (laboratorios). 1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc) 2. Designación de calidad de roca (RQD) 3. Espaciamiento de las discontinuidades 4 Condición de las discontinuidades 4. 5. Condición de agua subterránea 6. Orientación de las discontinuidades

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Valores de los cinco parámetros que intervienen 1. Resistencia a la compresión de la roca alterada: Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión ió uniaxial i i l de d la l roca que proponen Deere D y Miller, como alternativa se podrá utilizar la “clasificación de carga de punta” para cualquier tipo de roca, excepto la muy frágil. 2. RQD: índice de calidad de la roca según Deere y Miller. 3. Espaciamiento de las discontinuidades: es decir, de las fallas, de los planos de estratificación y otros planos de debilidad.

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4. Condiciones físicas y geométricas de las discontinuidades: este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno en las discontinuidades. 5. Presencia de agua subterránea: se intenta medir la influencia del flujo de las aguas subterráneas sobre la estabilidad de las excavaciones en función del caudal que existe en la excavación y, de la relación entre la q presión del agua en las discontinuidades y el esfuerzo principal.

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El valor del RMR se calcula de la siguiente manera:

RMR  1  2  3  4  5  6 Valor de un parámetro individual Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidos por el valor RMR: RMR

Clase N.º

Clasificación

100-81

I

Roca muy buena

81-60 8 60

II

Roca oca buena bue a

60-41

III

Roca regular

40-21

IV

Roca pobre

< 20

V

Roca muy pobre

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2 3

4

5

Ensayo de Carga Puntual

(Mpa) Compresión Simple (Mpa) Valoración RQD Valoración Separación entre diaclasas (m) Valoración Estado de las diaclasas

Agua freática

1

Resistencia roca intacta

TABLA I

Valoración Caudal / 10m de túnel (l/min) Presión de agua Estado general Valoración

Valores bajos, efectuar ensayos compresión uniaxial

> 10

4 - 10

2-4

1- 2

> 250

100 - 250

50 - 100

25 - 50

5 - 25

15 90% - 100% 20 >2 20

12 75% - 90% 17 0.6 - 2 15

7 50% - 75% 13 0.2 - 0.6 10

2

Muy rugosas, discontinuas, cerradas, bordes sanos y duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes blandos

1- 5

30

25

20

4 25% - 50% 6 0.06 - 0.2 8 Espejos de falla, relleno < 5 mm, separación 1 - 5 mm, diaclasas continuas 10

Nulo

< 10

10 - 25

25 - 125

> 125

0 - 0.1

0.1 - 0.2

0.2 - 0.5

> 0.5

Húmedo

Goteando

Fluyendo

7

4

0

0 Seco 15

Ligeramente húmedo 10

5 mm, separación > 5 mm, diaclasas continuas 0

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CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO POR N. BARTON. Este sistema es uno de los más usados en nuestro medio, debido a la interrelación con el sistema de clasificación de Bieniawski (RMRs). Primero se calcula el RMRs y luego se determina el valor de Q. Un sistema estructural de macizos rocosos, orientado también a servir en la construcción de túneles, fue desarrollado por Barton, Lien y Lunden; investigadores g del NGI ((Norwegian g Geotechnical Institute) que se basaron en extensivos estudios en macizos rocosos y en un gran número de casos de estabilidad de excavaciones subterráneas. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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El sistema propuesto considera seis parámetros para definir la calidad de un macizo rocoso, que son los siguientes: RQD Jn Jr Ja Jw SRF

: parámetro definido por Deere (1964) : número de contactos : número de rugosidades : número de alteración : condición de agua subterránea : factor de reducción del esfuerzo(stress reduction factor)

Para calcular el índice Q se usa la siguiente expresión matemática:

 RQD   J r   J w   x  x Q    J  n   J a   SRF  P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 y 1000. Dentro de este rango se definen nueve calidades de roca, tal como se muestra en la tabla siguiente: Calidad de roca Excepcionalmente mala Extremadamente mala Muy mala

Q 0 001 0 01 0.001-0.01 0.01-0.1 0.1-1.0

Mala Regular Buena Muy buena

1.0-4.0 4.0-10.0 10 0 40 0 10.0-40.0 40.0-100.0 100.0-400.0

Extremadamente buena Excepcionalmente buena

400.0-1000.0

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CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMRS Y EL Q SYSTEM Resistencia, rigidez, tamaño del bloque, integridad estructural estabilidad, vida útil, etc. Clasificación 0.001

0

0

Barton

Bieniawski

Deere

Q

9

RMR

5

RQD

5

1000

100

100

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GEOLOGICAL STRENGTH INDEX DE HOEK & MARINOS (2000) El GSI (geological strength index) se basa en estimaciones cualitativas al igual g que el RMR. q The Geological Strength Index toma en cuenta del macizo rocoso lo siguiente: a) La estructura del macizo rocoso considera el grado de fracturamiento o la cantidad de contactos por metro lineal. 1. Roca masiva o levemente fracturada (LF) 2. Roca moderadamente fracturada f ( ) (F) 3. Roca muy fracturada (MF) 4. Roca intensamente fracturada (IF) 5. Roca triturada o brechada (T) P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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b) La condición superficial del macizo rocoso, tal como la resistencia de la roca intacta y las propiedades de las discontinuidades:

resistencia,

apertura,

rugosidad,

relleno y la meteorización o alteración. 1. Roca muy buena (MB) 2. Roca buena (B) 3. Roca regular (R) 4. Roca mala (M) 5. Roca muy mala (MM)

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COMPARACION DE LOS METODOS DE BIENIAWSKI VS. BARTON La caracterización del macizo rocoso propuesta por Bieniawski y Barton es de interés especial, puesto que incluye suficiente información para poder evaluar los parámetros del macizo rocoso que tienen influencia en la estabilidad de una excavación subterránea como en taludes en roca. Bieniawski da más importancia a la orientación y a la inclinación estructural de la roca y ninguna a los esfuerzos en la roca.

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Barton no incluye o no considera el factor de la orientación de los contactos, pero sí considera las propiedades de los sistemas de contactos más desfavorables al evaluar la rugosidad de los contactos y su grado de alteración. Ambos representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos dos sistemas señalan que la orientación y la inclinación de las estructuras son de menos importancia, y la diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para los casos p p prácticos. Existen algunos materiales como la pizarra que tiene características estructurales tan importantes que tienden a dominar el comportamiento de los macizos rocosos. P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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En otros casos, grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan problemas de inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación descritos serán quizás no adecuados y se necesitarán consideraciones especiales para la relación entre la geometría del macizo rocoso y la excavación. Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas comprimidas expansivas o con grandes flujos de agua, comprimidas, agua la clasificación de Bieniawski es poco aplicable.

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Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se recurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para mayor seguridad, estas caracterizaciones se deben tomar como guías y, es mejor aplicar ciencia y tecnología con modelos matemáticos.

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RECOMENDACIONES Se sabe que las diferentes caracterizaciones del macizo rocoso que existen a nivel mundial, postuladas por los diversos investigadores, son empíricas. Por ello, se deben tomar como tal; es decir, como una guía. Estas caracterizaciones se han realizado en otros países de diferentes condiciones al Perú. Para que estas caracterizaciones dejen de ser empíricas debe hacerse uso so de los diferentes modelos matemáticos de la investigación de operaciones y darles un cierto grado de confiabilidad.

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GEOLOGIA ESTRUCTURAL

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GEOLOGIA ESTRUCTURAL La geología estructural está directamente relacionada con otras ramas de la geología.

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