Taludes[1]

ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES MEDIANTE SOFTWARE La Rioja, Argentina Noviembre, 2008

Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz – [email protected] Universidad de Oviedo

ÍNDICE 1. Introducción -------------------------------------------------------------------------------- 2 2. Caracterización del macizo rocoso-------------------------------------------------- 50 2.1 Propiedades índice ……………………………………………………….. 52 2.2 Propiedades de resistencia ……………………………………………… 72 2.3 Caracterización de las discontinuidades ………………………………..77 2.4 Ensayos más importantes ……………………………………...…...…….87 2.4.1 Ensayos de laboratorio ……………………………………………..89 2.4.2 Ensayos de campo …………………………………………………115 2.5 Clasificaciones geomecánica …………………………………...……… 127 3. Estado tensional en un punto ------------------------------------------------------- 139 4. Criterios de rotura ---------------------------------------------------------------------- 154 4.1 Criterio de Mohr Coulomb ………………………………………………..156 4.2 Criterio de Hoek y Brown ….………………………...………..………... 159 5. Métodos de cálculo -------------------------------------------------------------------- 167 5.1 Rotura plana ……………………………………………………………… 173 5.2 Rotura en cuña …………………………………………………………... 175 5.3 Rotura circular ………………………………………………….………....177 5.3.1 Ábacos de Hoek y Bray ………………………………………….. 178 5.3.2 Métodos de dovelas ………………………………………………. 183 6. Aplicaciones informáticas ------------------------------------------------------------ 193 Dips, Swedge, Slides, Phases Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

1

1. INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN GEOLOGÍA

MINERIA

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INTRODUCCIÓN

• Exploración y Prospección.

• Explotación.

• Procesamiento. • Manejo de residuos. • Cierre y rehabilitación. Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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INTRODUCCIÓN • Alta productividad. • Mayor concentración de operaciones y gestión más sencilla de recursos humanos y materiales. • Mayor producción por explotación.

• Menor inversión por tonelada producida. • Menores costes de operación por tonelada producida.

• Posibilidad de explotar con ratios desmonte altos y yacimientos de baja ley. • Mejor conocimiento geológico del yacimiento. • Menos limitación en el tamaño y peso de las máquinas. • Operaciones auxiliares y de mantenimiento más sencillas. • Mayor recuperación del mineral y menor dilución.

• Mayor volumen de reservas disponibles para su explotación.

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INTRODUCCIÓN Los recursos minerales se encuentran normalmente en forma de diversas especies mineralógicas, en yacimientos que según su composición química se clasifican generalmente en minerales oxidados y sulfurados. El material que contiene una ley inferior a la ley de corte, es considerado estéril o mineral de baja ley si tiene algo de metales recuperables a través de otro procedimiento.

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INTRODUCCIÓN Los metales de interés comercial están generalmente unidos químicamente a otros metales como parte de la roca mineralizada o mena.

La mena se extrae de un yacimiento mediante operaciones mineras y luego mediante sucesivos procesos metalúrgicos se obtienen los metales con valor comercial. El material sin valor comercial que se encuentra junto a la roca mineralizada, se denomina ganga.

Por lo tanto, el objetivo de cualquier proceso de extracción es separar la ganga de la mena.

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INTRODUCCIÓN El Proceso de clasificación de una reserva minera, para determinar si se trata de reservas probadas o probables con valor económico, comienza con la toma de muestra del yacimiento, para luego definir la ley mínima o “Ley de Corte”, que puede ser trabajada con rentabilidad. La ley de un mineral nos indica la cantidad (Cobre, Plomo, Plata, etc.), expresada en porcentaje (%), onzas por tonelada (oz/t) o gramos por tonelada (g/t) del mineral presente en el yacimiento mina.

La ley de Corte (Cut off), será aquélla ley mínima cuyo valor cubre todos los costos involucrados en el proceso minero (Producción + Procesamiento + Comercialización). Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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INTRODUCCIÓN El volumen de material cuya ley se encuentre por debajo de la ley de corte, será considerado “desmonte” o “estéril”, por su reducido contenido metálico que no justifica su tratamiento al no cubrir los costos del proceso productivo. Así, por ejemplo, si la ley de corte de una mina que produce cobre, es de 1%, se trabajará únicamente en aquellas zonas del yacimiento en las que el contenido de cobre esté por encima del 1%. Cada mina tiene una ley de corte particular, la cuál se establece en función de las características del yacimiento, el método de producción y la técnica de procesamiento empleada.

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

La zona de sulfuros corresponde a la mineralización original del yacimiento, también llamada primaria. Los sulfuros contienen minerales formados por combinaciones de cobre, azufre y hierro los que otorgan a las rocas un aspecto metálico.

La zona de óxidos se encuentra en la superficie del yacimiento o cerca de ella, y contiene óxidos de cobre, los que típicamente tienen un color verde o azul. Los minerales oxidados se han formado por acción del oxígeno y otros agentes que atacan las rocas mineralizadas que se encuentran en la superficie.

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

w

E Cuerpo 1 Ma

Garnetite

Albite Granite

Cuerpo 2

Qz Hornfels

Cuerpo 3

Volcaniclastic

Upper Andesite

Diorite

Limestones

Albitophyre Biotite Tuff

Skarn Metamorphic Basal Andesite

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Lower Andesite

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INTRODUCCIÓN Uniforme

La ley de cualquier punto del depósito no significativamente respecto a la media del depósito.

varía

Gradacional Los valores de ley tienen características zonales y las leyes varían gradualmente de un punto a otro. Errática

Los valores de leyes varían radicalmente a cortas distancias y no presentan ningún patrón discernible en sus cambios.

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INTRODUCCIÓN • Equidimensional

Todas las direcciones son del mismo orden de magnitud. • Cuerpos tabulares Dos dimensiones son varias veces el espesor, el cual normalmente no excede de 100 m.

• Irregulares Las dimensiones varían a corta distancia.

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INTRODUCCIÓN Las decisiones sobre el diseño del pit, deben tender a buscar los siguientes objetivos: • Desarrollar la explotación de la mina a la mayor escala posible, consistentemente con las reservas probadas. • Maximizar la recuperación de los recursos geológicos disponibles, maximizando la extracción del metal contenido.

• Minimizar aquellos riesgos negativamente la producción.

que

puedan

afectar

• Las decisiones operacionales deben orientarse a optimizar la productividad de los equipos.

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16

INTRODUCCIÓN • • • • • •

Económicos. Geológicos. Geotécnicos. Geométricos. Operativos. Medioambientales.

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INTRODUCCIÓN Los modelos de bloques son ampliamente utilizados en yacimientos metálicos de tipo masivo. Un modelo de bloques consiste en una discretización en base a paralelepípedos iguales o bloques con una o dos dimensiones variables. En la caso del método de explotación a cielo abierto, la dimensión vertical de los bloques se hace coincidir con la altura del banco.

En general los modelos de bloques permiten a los planificadores de mina, seleccionar en forma efectiva el modelo más convenientes de extraer el mineral, tanto física como económicamente.

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN • • • • • • • •

Banco. Altura del banco. Talud del banco. Pistas. Rampa de acceso. Limites finales. Bermas. Talud Final.

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN Ángulo de Talud de la pared del Banco Representa la inclinación con que queda la pared del banco. Este ángulo se mide desde la pata del banco a su propia cresta.

Pata

Cresta

Pata

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Ángulo de la pared del banco

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INTRODUCCIÓN ÁNGULO DE TALUD INTER RAMPAS Representa la inclinación con que queda el conjunto de bancos que se sitúan entre una rampa y la rampa consecutiva. Este ángulo se mide desde la pata del banco inferior donde se encuentra una rampa hasta la cresta del banco donde se encuentra la otra rampa.

Cresta Rampa 1

Ángulo inter Rampa

Pa ta Rampa 2

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INTRODUCCIÓN Ángulo de Talud de un conjunto de bancos Representa la inclinación con que queda un grupo de bancos sin existir entre ellos alguna diferencia geométrica importante. Este ángulo se mide desde la pata del banco más profundo hasta la cresta del banco de cota mayor.

Cresta

Cara del banco

Ángulo de talud geomecánico Pata

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INTRODUCCIÓN ÁNGULO DE PIT FINAL Representa el ángulo de inclinación con que queda la pared final del rajo, incluyendo todas las singularidades geométricas existentes. Este ángulo se mide desde la pata del banco más profundo hasta la cresta del banco más alto de la explotación.

Cresta

Ángulo

Pata

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Overall

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN Las decisiones sobre el diseño del pit, deben tender a buscar los siguientes objetivos: • Desarrollar la explotación de la mina a la mayor escala posible, consistentemente con las reservas probadas. • Maximizar la recuperación de los recursos geológicos disponibles, maximizando la extracción del metal contenido.

• Minimizar aquellos riesgos negativamente la producción.

que

puedan

afectar

• Las decisiones operacionales deben orientarse a optimizar la productividad de los equipos.

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INTRODUCCIÓN

• • • • • •

Económicos. Geológicos. Geotécnicos. Geométricos. Operativos. Medioambientales.

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN MODELO ESTATICO (Basado en la composición química de las capas)

Corteza Oceánica 6-12 km

MODELO DINAMICO (Basado en el comportamiento mecánico de los materiales) Corteza continental 25-70 km

Litósfera

´

Discontinuidad de 75 - 100 km Mohorovicic 350 km

´ Discontinuidad de Wiechert - Gutenberg 2.900 km Discontinuidad de Lehman

Zona de transición

4.980 km 5.120 km

2.900 km Endósfera

5.120 km

6.378 kmt

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6.378 km

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INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN LOS SUELOS, en Ingeniería Geotécnica, son agregados naturales de granos minerales unidos por fuerzas de contacto normales y tangenciales a las superficies de las partículas adyacentes, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en agua.

LAS ROCAS son agregados naturales duros y compactos de partículas minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se consideran como un sistema continuo.

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INTRODUCCIÓN

LA MECÁNICA DE SUELOS se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los suelos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

LA MECÁNICA DE ROCAS se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico del macizo rocoso, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

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INTRODUCCIÓN

t = juntas de tensión en la chamela del pliegue s = juntas en dirección d= juntas en buzamiento o = juntas oblicuas

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INTRODUCCIÓN TIPOS DE DISCONTINUIDADES Origen

Roca

Clase

Estructura de flujo

Contactos entre coladas de lavas sucesivas

Estructura de retracción

Grietas de retracción por enfriamiento

Metamórf.

Foliación

Por gradientes técnicos, de presión y anatexia

Sedimento

Estratificación

Contactos entre eventos de deposición

Termofracturas

Ciclos de calentamiento – enfriamiento o humedecimiento - secado

Halifracturas

Expansión de sales y arcillas de fracturas

Gelifracturas

Ciclos de congelamiento y fusión de agua

Relajación

Pérdida de presión de sepultura y esfuerzos de tracción

Corte

Concentración de esfuerzos horizontales en valles

Igneas Genético

Físico-químico

Gravedad

Mecanismo

Todas

Todas

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INTRODUCCIÓN TIPOS DE DISCONTINUIDADES Mecanismo

Origen

Biológico

Tectónico

Roca

Todas

Clase

Parte interna de la charnela

Acción de las raíces

Penetración y crecimiento de las raíces de los árboles

Estructuras de placa

Bordes constructivos, pasivos y destructivos

Fallas

Rupturas con desplazamiento por esfuerzos de compresión, tracción y corte

Diaclasas

Rupturas por esfuerzos tectónicos, pero sin desplazamiento de bloques

Fracturas de pliegues

Radiales en la zona de tracción y de corte.

Todas

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INTRODUCCIÓN Rock matrix

One discontinuity

Two discontinuties

Varios discontinuties

Rock mass

MATRIZ ROCOSA + DISCONTINUIDADES = MACIZO ROCOSO Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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2. CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO

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ESTRUCTURA

CARACTERES GEOMECANICOS

METEORIZACION

DISCONTINUIDADES

MODELO GEOLOGICO HIDROLOGIA

LITOLOGIA

PROPIEDADES MECANICAS

CALIDAD MACIZO ROCOSO

MACIZO ROCOS

TENSIONES NATURALES

PROPIEDADES MECANICAS DISCONTINUIDADES

MODELO GEOMECANICO CALIDAD EXCAVACION

PROPIEDADES MECANICAS MATERIALES

MODELOS CONTINUOS

EQUILIBRIO LIMITE

MODELO MATEMATICO

MODELOS DISCOTINUOS

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2.1 PROPIEDADES ÍNDICE

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PROPIEDADES ÍNDICE

40 3 30

specific gravity

Compressive strength, 103lbl/in2

PESOS ESPECÍFICOS

20

10

0

1

2

specific gravity

3

2

1

0

0.5

1.0

tenstle strength,

2.0

2.5 103lbl/in2

1.5

Relación entre la densidad específica y la resistencia a la compresión y a la tracción

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PROPIEDADES ÍNDICE PESOS ESPECÍFICOS 12

15 15

10

5

0

1

2

specific gravity

3

8

bar velocity, 103

Shear velocity, 103

Longitudinal velocity, 103

20

4

0

1

2

specific gravity

3

10

5

0

1

2

specific gravity

3

Relación entre la densidad específica y la velocidad de transmisión de ondas Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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PROPIEDADES ÍNDICE Valores típicos del peso específico y porosidad de las rocas Roca Andesita Anfibolita Arenisca Basalto Caliza Carbón Cuarcita Creta Diabasa Diorita Dolomía Esquisto Gabro Gneiss Granito Grauvaca Mármol Lutita Pizarra Riolita Sal Toba Yeso

Peso específico (g/cm3) 2,2 – 2,35 2,9 – 3,0 2,3 – 2,6 2,7 – 2,9 2,3 – 2,6 1,0 – 2,0 2,6 – 2,7 1,7 – 2,3 2,9 2,7 – 2,85 2,5 – 2,6 2,5 – 2,8 3,0 – 3,1 2,7 – 3,0 2,6 – 2,7 2,8 2,6 – 2,8 2,2 – 2,6 2,5 – 2,7 2,4 – 2,6 2,1 – 2,2 1,9 – 2,3 2,3

Porosidad (%) 10 - 15 -----5-25 (16,0) 0,1 – 2 5 - 20 (11,0) 10 0,1 – 0,5 30 0,1 -----0,5 – 10 3 0,1 – 0,2 0,5 – 1,5 0,5 – 1,5 (0,9) 3 0,3 – 2 (0,6) 2 – 15 0,1 – 1 4–6 5 14 – 10 5

Entre parentesis algunos valores medios de porosidad aparente, datos, seleccionados a partir de Goodman (1989), Rahn (1986), Walthan (1999), Farmes (1968) Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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PROPIEDADES ÍNDICE VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN DE ONDAS • Relativamente fácil de determinar, tanto ondas transversales como longitudinales.

• La velocidad de transmisión depende, en teoría, únicamente de las propiedades elásticas y de la densidad. • Pero una red de fisuras superpuesta a la roca matriz tiene un efecto predominante.

• Por lo tanto, la velocidad de transmisión de ondas puede servir como índice del grado de fisuración de una roca.

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PROPIEDADES ÍNDICE VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN DE ONDAS INDICE DE CALIDAD

Vl IQ(%)  * 100 Vl

Siendo Vl la velocidad real de transmisión de ondas en la muestra, y Vl* la velocidad de transmisión de ondas de una muestra del mismo material sin poros ni fisuras. Typical Values of V1* for Rocks Rock V1* m/s Gabbro Basalt Limestonne Dolomite Sandstone and quartzite Granitic rocks

7000 6500 – 7000 6000 – 6500 6500 – 7000 6000 5500 - 6000

From Fourmaintraux (1976) Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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PROPIEDADES ÍNDICE VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN DE ONDAS Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha propuesto un ábaco IQ-porosidad que sirva de base para la clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración:

n

IQ

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PROPIEDADES ÍNDICE VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN DE ONDAS Velocidad de propagación de las ondas longitudinales en rocas Roca sana

Velocidad de propagación De las ondas Vy (m/s)

Arenisca Basalto Caliza Conglomerado Cuarcita Diabasa Dolerita Dolomía Gabro Gneiss Granito Sano Lutita Marga Mármol Pizarra Sal Yeso

1,400 – 4,200 4,500 – 6,500 2,500 – 6,000 2,500 – 6,500 5,000 – 6,500 5,500 – 7,000 4,500 – 6,500 5,000 – 6,000 4,500 – 6,500 3,100 – 5,500 4,500 – 6,000 1,400 – 3,000 1,800 – 3,200 3,500 – 6,000 3,500 – 5,000 4,500 – 6,000 3,000 – 4,000

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PROPIEDADES ÍNDICE VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN DE ONDAS Ed  2    Vs2 1   d  2

Módulos Elásticos Dinámicos

 Vp     2 V d   s  2  V p   2     1  Vs  

•  es la densidad del material rocoso • Vp y Vs son las velocidades de las ondas longitudinales y de corte

• Ed y d son los módulos elásticos dinámicos

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PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD • Importante en casos prácticos: – Extracción por bombeo de agua, petróleo y gas. – Almacenaje de residuos en formaciones porosas. – Almacenaje de fluidos en cavernas. – Estimación de la capacidad de retención del agua en embalses. – Eliminación de agua en cavernas profundas. • La presencia de fisuras altera radicalmente la permeabilidad de la roca matriz obtenida en el laboratorio  necesarios ensayos de bombeo “in situ”.

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PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD • El cambio en la permeabilidad ocasionado por cambios en las tensiones normales (especialmente compresión–tracción) permite estimar el grado de fisuración (fisuras planas se ven afectadas, poros esféricos no).

• Ley de Darcy válida en la mayoría de los casos. • Ensayos de laboratorio: – Clásico – Flujo radial — en muestras fisuradas, mucha influencia de la dirección del flujo (hacia dentro o hacia fuera)

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62

PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD Categorías de agua Agua de retención

Tipos De agua

Agua gravífica

Extracción

Agua higroscópica

Agua pelicular

Agua capilar

Categorías de agua

Aguas ligadas

Agua de retención

Agua capilar aislada

Agua capilar continua

Calcinación

Centrifugación

Aguas libres

Agua gravífica

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Aguas libres Gravedad 63

PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD COEFICIENTE DE RETENCIÓN ESPECÍFICA El coeficiente de retención específica, ns, expresa la relación (%) entre el volumen de agua retenida por la roca (Vr), después de haber salido el agua gravífica, y el volumen total de la roca (V).

Vr ns  100 V n  ne  ns Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

64

PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD 30

Porosidad total

Coeficiente de 20 Retención específica

Porosidad eficaz 10

0

1

0,1

0,01

0,05

Diámetro de los granos (mm)

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PROPIEDADES ÍNDICE

Zona Saturada

Franja capilar

P o z o

Zona no Saturada

PERMEABILIDAD

Zona De saturación

La zona saturada es la que suministra un caudal significativo a los pozos y es la que principalmente hay que drenar en las labores mineras bajo nivel piezométrico. Su comportamiento hidráulico es el de un acuífero.

Nivel piezométrico

Galería de mina inundada, que es necesario drenar Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD

Línea de flujo real A

Línea de flujo teórica

Ha>hb

Líneas de flujo

Trayectorias de filtración en el suelo, pérdida de carga y gradiente hidráulico en un ACUIFERO

ha

Ha>hB -> flujo de A hacia B Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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PROPIEDADES ÍNDICE PERMEABILIDAD Valores típicos de permeabilidad de la matriz rocosa

K (m/s)

Roca

Arenisca Caliza y Dolomía Esquisto Pizarra Granito Lutita Rocas metamórficas Rocas volcánicas ´ Sal

10-5 – 10-10 10-6 – 10-12 10-7 – 10-8 10-11 – 10-13 10-9 – 10-12 10-9 – 10-13 10-9 – 10-12 10-7 – 10-12 250

Extremadamente dura

Resistencia a comprensión Simple (kp/cm2)

300 – 700

250

700 – 1,900 600 – 2,500 900 – 2,500 50 – 300 100 – 460 100 – 400

Resistencia a la tracción (kp/cm2) 70 230 60 – 120 50 – 200 50 – 250 40 – 300 100 – 300 550 80 – 300 150 – 350 50 – 250 20 – 55 140 – 300 50 – 200 70 – 250 55 – 150 27 15 – 100 5 – 104 65 – 200 70 – 200 10 – 40 10 - 25

(*) A favor de superficies de laminación. Datos seleccionados a partir de Kahn (1986), Walthanm (1999), Obert y Duvall (1967), Farmer (1968)

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PROPIEDADES DE RESISTENCIA RESISTENCIA Clasificación de las rocas a partir de su resistencia a compresión simple Resistencia a la comprensión simple (Mpa)

ISRM (1981)

Geological Spciety of London (1970)

200 > 250

Ejemplos

Suelos

5 – 12,5 12,5 – 25

Bieniawski (1973)

Moderadamente dura

Blanda >125 Moderadamente dura

Muy baja

Sal, lutita, limolita, marga, toba, carbón

Moderadamente dura

Baja

Dura

Media

Rocas metamórficas esquistosas, mármol, Granito, gneiss, arenisca, caliza porosa

Muy dura

Alta

Rocas ígneas y metamórficas duras, arenisca Muy cementada, caliza, dolomía

Moderadamente dura

Muy alta

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Esquisto, pizarra

Cuarcita, gabro, basalto

75

PROPIEDADES DE RESISTENCIA Resistencia CLASE

DESCRIPCION

IDENTIFICACION DE CAMPO

APROXIMACION DE RANGO DE RESISTENCIA A COMPRESION (MPA)

S1

Arcilla muy blanda

El puño penetra varios cm.

S2

Arcilla débil

El dedo penetra fácilmente varios cm.

S3

Arcilla firme

Se necesita una pequeña presión para hincar el dedo.

0,05 - 0,1

S4

Arcilla rígida

Se necesita una fuerte presión para hincar el dedo.

0,1 - 0,25

S5

Arcilla muy rígida

Con cierta presión puede marcarse con la uña.

0,25 - 0,5

S6

Arcilla dura

Se marca con dificultad al presionar con la uña.

> 0,5

R0

Roca extremadamente blanda

Se puede marcar con la uña.

0,25 - 1,0

R1

Roca muy blanda

La roca se desmenuza al golpear con la punta del martillo. Con una navaja se talla fácilmente.

1,0 - 5,0

R2

Roca blanda

Se talla con dificultad con una navaja. Al golpear con la punta del martillo se producen pequeñas marcas.

5,0 – 25

R3

Roca moderadamente Dura

No puede tallarse con la navaja. Puede fracturarse con un golpe fuerte del martillo.

25 – 50

R4

Roca dura

Se requiere más de un golpe con el martillo para fracturarla.

50 – 100

R5

Roca muy dura

Se requieren muchos golpes con el martillo para fracturada.

100 – 250

R6

Roca extremadamente dura

Al golpearlo con el martillo sólo saltan esquirlas.

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< 0,025 0,025 – 0,05

> 250

76

2.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES

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77

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES

Relleno Familia 2 Familia 1

Resistencia paredes

Tamaño de bloque Rugosidad Continuidad

Abertura Dirección y buzamiento filtraciones

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78

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES

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79

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES ROCK QUALITY DESIGNATION (R.Q.D.)

RQD %

< 25 25-50 50-75 75-90 90-100

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Calidad

Muy mala Mala Media Buena Muy buena

80

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES ESPACIADO

DESCRIPCION DEL ESPACIADO DESCRIPCION Extremadamente junto

ESPACIADO < 20 mm

Muy junto

20 – 60 mm

Junto

60 – 200 mm

Moderadamente junto

200 – 600 mm

Separado Muy separado Extremadamente separado

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600 – 2 000 mm 2 000 – 6 000 mm > 6 000 mm

81

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES CONTINUIDAD O PERSISTENCIA DESCRIPCION DE LA CONTINUIDAD CONTINUIDAD

Muy baja continuidad

LONGITUD

20 m

82

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES RUGOSIDAD

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83

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES ABERTURA Y RELLENO

Abertura

Descripción

< 0,1 mm

Muy cerrada

0,1 – 0,25 mm

Cerrada

0,25 – 0,5 mm

Parcialmente abierta

0,5 – 2,5 mm

Abierta

2,5 – 10 mm

Moderadamente ancha

> 10 mm

Ancha

1 – 10 cm

Muy ancha

10 – 100 cm

Extremadamente ancha

>1m

Cavernosa

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CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES TAMAÑO DE BLOQUES

Clasificación de macizos rocosos por el número de familias de discontinuidades TIPO DE MACIZO ROCOSO

Descripción del tamaño de bloque en función del número de discontinuidades

NUMERO DE FAMILIAS

I

Masivo, discontinuidades ocasionales.

II

Una familia de discontinuidades

III

Una familia de discontinuidades más otras ocasionales

IV

Dos familias de discontinuidades

V

Dos familias de discontinuidades más otras ocasionales

VI

Tres familias de discontinuidades.

VII

Tres familias de discontinuidades más otras ocasionales

VIII

Cuatro o más familias de discontinuidades

IX

Brechificado

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DESCRIPCION

JV (DISCONTINUIDADES/ M3 )

Bloques muy grandes

30

85

CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES TAMAÑO DE BLOQUES CLASE

TIPO

DESCRIPCION

I

Masivo

Pocas discontinuidades o con espaciado muy grande.

II

Cúbico

Bloques aproximadamente equidimensionales.

III

Tabular

Bloques con una dimensión considerablemente menor que las otras dos.

IV

Columnar

Bloques con una dimensión considerablemente mayor que las otras dos.

V

Irregular

Grandes variaciones en el tamaño y forma de los bloques.

VI

Triturado

Macizo rocoso muy fracturado.

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86

2.4 ENSAYOS MÁS IMPORTANTES

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87

ENSAYOS

Ensayos de laboratorio

• • • • • •

Compresión simple Compresión triaxial Tracción indirecta Corte Directo en Juntas Velocidad de ondas sónicas S.D.T.

Ensayos in situ

• • • • • •

Martillo Schmidt Carga Puntual Tilt test Dilatómetro Placa de carga Lugeon

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88

2.4.1 ENSAYOS DE LABORATORIO

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89

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE • Determinación de la resistencia a compresión uniaxial de una probeta cilíndrica de roca obtenida de sondeos. • Obtención de las constantes elásticas de la roca (módulo de Young, coeficiente de Poisson).

• Importancia: clasificación, criterios de rotura, estimación de resistencia in situ.

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90

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE Rotura

σp = σ0 Pre-pico

Post-pico

Е =

σ εax

v =

εt εax

εax

Comportamiento lineal ε0

εax

σ1 εt

εax

εax

εt σ1

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Comparadores

εt

Bandas extensométricas

91

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE σ1 M Propagación inestable de las fisuras

σ1 e є 1

Propagación estable de las fisuras

σ1 E є 3

E

σ1R σ1C

l

Cierre de fisuras

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92

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE

FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA MEDIDA • Distribución de tensiones en la probeta • Geometría de la probeta – Forma – Aspecto (relación altura-diámetro) – Tamaño • Velocidad de aplicación de la carga • Factores ambientales (humedad, temperatura) • Presión de confinamiento • Rigidez del equipo en ensayos Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

93

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE NORMATIVA – Probetas cilíndricas: >50 mm, h  2,5  – El diámetro será al menos 10 veces mayor que el mayor tamaño de grano de la roca – La probeta no debe contener discontinuidades geológicas que la atraviesen – Superficies de contacto roca/prensa planas (tolerancia 0,02 mm) y perpendiculares al eje de la probeta (tolerancia 0,001 rad) – Velocidad de carga constante  0,5 a 1 MPa/s

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94

ENSAYOS COMPRESIÓN SIMPLE (kp/cm2)

c = 1360kp/cm2

1400 1200 1000 800

600 400 200

єt(10-6)

400

0

400

800

1200

1600 є(10-6)

gneiss de alta resistencia Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

95

ENSAYOS  (kp : cm2)

COMPRESIÓN SIMPLE

c = 1500 (kp/cm2)

1600 1400 1200 1000 800

600 400 200

 (10-4)

0

4

0

4

0

12

16

20

24

granito alterado Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

96

ENSAYOS RESISTENCIA A TRACCIÓN • El ensayo de tracción simple es más complejo que el de compresión debido a la dificultad de aplicar el esfuerzo de tracción sobre la probeta. • Debido a ello, el ensayo presenta mayor dispersión de resultados y por tanto tiene menor interés práctico.

• Son válidas las especificaciones del ensayo de compresión. • Fuerzas del orden de 200 N/s.

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97

ENSAYOS TRACCIÓN INDIRECTA. ENSAYO BRASILEÑO • Es más simple de ejecutar. • Presenta menor dispersión de resultados, aunque el modo de apoyo de la carga puede influir en los mismos. P Carga total = P Superficie de Rotura D

b 

2 P  DL

L

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98

ENSAYOS TRACCIÓN INDIRECTA. ENSAYO BRASILEÑO

(c) Fracturación de la probeta

(a) Fuerzas que actúan sobre el disco

P = fuerza de compresión ejercida sobre el disco, en rotura D = diámetro del disco L = espesor del disco Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

99

ENSAYOS TRACCIÓN

En general el ensayo brasileño da resistencias mayores que el de tracción simple: Tipo de roca Granito Granito Granodiorita Traquita Basalto Gneiss Mármol Cuarcita Caliza Yeso Argilita

Resistencia a tracción, σt (MPa) Tracción simple 6.3 2.3 6.7 14.0 22.9 4.9 7.0 4.9 4.4 0.9 3.7

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Ensayo brasileño 14.0 8.3 12.5 12.2 37.0 7.6 8.9 11.0 9.0 1.2 3.8

100

ENSAYOS TRACCIÓN INDIRECTA. ENSAYO BRASILEÑO Clasificación de Deere & Miller Resistencia

σtb (MPa)

Muy débil

0 – 1,5

Débil

1,5 – 3,5

Media

3,5 – 6,5

Alta

6,5 – 10.0

Muy alta

> 10,0

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101

ENSAYOS COMPRESIÓN TRIAXIAL • Triaxial convencional: σ1 > σ2 = σ3 • Probeta cilíndrica rodeada de una membrana elástica. • La probeta se coloca en una célula bajo presión inducida mediante un líquido (normalmente aceite).

• Se puede variar además la tensión vertical. • Se mide la deformación axial y lateral.

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102

ENSAYOS COMPRESIÓN TRIAXIAL

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103

ENSAYOS COMPRESIÓN TRIAXIAL 40 σ1 - σ3(Mpa)

σ3 = 10,0 MPa 30 σ3 = 5,0 MPa 20

σ3 = 2,0 MPa

10 0,5

• • • • •

1,0 1,5 Deformación axial (%)

2,0

2,5

Un aumento de la presión de confinamiento produce: Aumento de la resistencia de pico. Transición del comportamiento de frágil a dúctil. La región correspondiente al pico de la curva se alarga y suaviza. No influye en la orientación del plano de rotura.

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104

ENSAYOS VELOCIDAD DE LAS ONDAS SÓNICAS

• Probetas cilíndricas o bloques rectangulares. • Su mínima dimensión debe ser al menos 10 veces la longitud de onda.

• La velocidad de las ondas de corte Vs es aproximadamente dos tercios de las ondas longitudinales Vp Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

105

ENSAYOS VELOCIDAD DE LAS ONDAS SÓNICAS • Relativamente fácil de determinar, tanto ondas transversales como longitudinales. • La velocidad de transmisión depende, en teoría, únicamente de las propiedades elásticas y de la densidad.

• Pero una red de fisuras superpuesta a la roca matriz tiene un efecto predominante. • Por lo tanto, la velocidad de transmisión de ondas puede servir como índice del grado de fisuración de una roca.

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106

ENSAYOS VELOCIDAD DE LAS ONDAS SÓNICAS INDICE DE CALIDAD

Vl IQ(%)  * 100 Vl Siendo Vl la velocidad real de transmisión de ondas en la muestra, y Vl* la velocidad de transmisión de ondas de una muestra del mismo material sin poros ni fisuras.

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107

ENSAYOS VELOCIDAD DE LAS ONDAS SÓNICAS Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha propuesto un ábaco IQ-porosidad que sirva de base para la clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración

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108

ENSAYOS Roca intacta

VELOCIDAD DE LAS ONDAS SÓNICAS Módulo de elasticidad estático, E Kg/cm2 (x 105)

Módulo de elasticidad Dinámico, Ea Kg / cm2 (x 105)

Andesita Anfibolita Anhidrita Aremisca

3,0-4,0 1,3-9,2 0,15-7,6 0,3-6,1

Basalmato

3,2-10

4,1-8,7

1,5-9,0 (2,9-6,0) 2,2-10 (4,2-8,5) 6,9-9,6 0,2-1,7 0,4-5,1 1-6,5 1,7-8,1 (5,3-5,5) 0,6-3,9 (2,0) 1,7-7,7

0,8-9,9

Grauvaca Limolita Lutita Marga Mármol

4,7-6,3 5,3-7,5 0,3-2,2 0,4-3,4 2,8-7,2

2,3-10,7 0,7-6,5 1.0-7.0 1.0-4.9

Micaesquisto Pizarra Sal Yoha Yeso

0,1-2,0 0,5-3,0 0,5-2,0 0,3-7,6 1,5-3,6

Calizza Cuarcita Diabasa Diorita Dolomía Gabro Gnesis Esquisto Granito

Coeficiente de Poisson, r 0,23-0,32

4,6-10,5 0,5-5,6

6,0-9,8 2,5-6,4 2,2-8,6 2,5-10,5

1,0-8,4

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0,1-0,4 (0,24-0,31) 0,19-0,38 (0,25) 0,12-0,33 (0,25-0,30) 0,08-,024 (0,11-0,15) 0,28 0,29-0,34 0,12-0,20 0,08-0,40 (0,20-0,30) 0,01-0,31 (0,12) 0,1-0,4 (0,18-0,24) 0,25 0,25-0,29 0,1-0,4 (0,23

0,22 0,24-0,29

109

ENSAYOS CORTE DIRECTO EN JUNTAS

N ζ

MORTERO DE CEMENTO JUNTA

ROCA

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ζ 110

ENSAYOS CORTE DIRECTO EN JUNTAS

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111

ENSAYOS CORTE DIRECTO EN JUNTAS

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ENSAYOS SLAKE DURABILITY TEST (S.D.T.) • Tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo • Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura • El tambor gira a 20 revoluciones por minuto durante 10 minutos en un baño de agua • Secado en estufa a 105º C. • Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor Dr. Miguel Ángel Rodríguez Díaz -- [email protected] -- Universidad de Oviedo

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ENSAYOS SLAKE DURABILITY TEST (S.D.T.) Gamble’s Slake Durability Classification

Group Name Very high durability High durability Medium high durability Medium durability Low Durability Very Low Durability

% Retained After One 10 – Minute Cycle (Dry Weight Basis) 99 98 – 99 95 – 98 85 – 95 60 – 85