ALUMNOS: Portal Vargas, Estefani Miranda Ocas, Jhonatan
DOCENTE: CRUZADO MEJร A, Filadelfio CURSO: Geomecรกnica
INTRODUCCIÓN Existen diferentes tipos de roca, las cuales tienen sus propias características y propiedades, las cuales actúan de diferente manera a los cambios físicos. Las clasificaciones geomecánicas constituyen actualmente un método fundamental para la caracterización geomecánica de los macizos rocosos, ya que permiten obtener parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo y poder estimar el tipo de sostenimiento de un túnel. Pero si bien sabemos que existen estas clasificaciones que nos ayudan a tener un mejor cuidado en las labores, es físicamente imposible detectar completamente las condiciones en las que se encuentra un macizo rocoso. El por ello que existen diversas clasificaciones, con las cuales podemos trabajar combinándolas para obtener un buen resultado.
OBJETIVOS OBJETIVO PRINCIPAL:
Dar a conocer las Clasificaciones Geomecánicas para poder emplearlas más adelante en situaciones donde se sea necesaria. OBJETIVOS SECUNDARIOS:
Aprender los parámetros de cada Clasificación para poder tener una buena toma de decisión. Saber reconocer en que campo se debe utilizar las diferentes clasificaciones.
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA: Las características, propiedades y parámetros de la matriz rocosa y de las discontinuidades del macizo rocoso, proporcionan los datos necesarios para la evolución geomecánica global del macizo rocoso. A partir de estos datos, la aplicación de las clasificaciones geomecánicas permite estimar la calidad y los parámetros resistentes aproximados del macizo, en términos de cohesión y fricción.
CLASIFICACIĂ“N DE Q DE BARTON Fue desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir del estudio de un gran nĂşmero de tĂşneles, constituye un sistema de clasificaciĂłn de macizos rocosos que permite estimar parĂĄmetros geotĂŠcnicos del macizo y diseĂąar sostenimientos para tĂşneles y cavernas subterrĂĄneas. El Ăndice Q estĂĄ basado en una evaluaciĂłn numĂŠrica de seis parĂĄmetros dados por la expresiĂłn: đ?‘…đ??ˇđ?‘„ đ??˝đ?‘&#x; đ??˝đ?‘¤ đ?‘„= . . đ??˝đ?‘› đ??˝đ?‘Ž đ?‘†đ?‘…đ??š Donde
ď‚´ đ??˝đ?‘› : Ă?ndice de diaclasado que indica el grado de fracturaciĂłn del macizo rocoso. ď‚´ đ??˝đ?‘&#x; : Ă?ndice de rugosidad de las discontinuidades o juntas. ď‚´ đ??˝đ?‘Ž: Ă?ndice que indica la alteraciĂłn de las discontinuidades.
ď‚´ đ??˝đ?‘¤: Coeficiente reductor por la presencia de agua. ď‚´ đ?‘†đ?‘…đ??š (stress reduction factor) : Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso.
Los tres factores de la expresiĂłn representan: đ?‘…đ??ˇđ?‘„ ď‚´ : đ??˝đ?‘› đ??˝đ?‘&#x; ď‚´ : đ??˝đ?‘Ž đ??˝đ?‘¤ ď‚´ đ?‘†đ?‘…đ??š
El tamaĂąo de los bloques
La resistencia al corte entre los bloques
: La influencia del estado tensional
El índice Q obtenido a partir de ellos varía entre 0,001 y 1.000, con la siguiente clasificación del macizo rocoso:
o 0,001 y 0,01: roca excepcionalmente mal o 0,01 y 0,1: roca extremadamente mala o 1 y 4: roca mala o 4 y 10: roca media o 10 y 40: roca buena o 40 y 100: roca muy buena o 100 y 400: roca extremadamente buena o 400 y 1.000: roca excepcionalmente buena
a) Cuando se obtienen valores del RQD inferiores o iguales a 10, se toma un valor de 10 para calcular el Ăndice Q. b) Los intervalos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, 90, etc., tiene suficiente precisiĂłn.
Índice de Diaclasado Jn Descripción Roca masiva, sin diaclasar o con fisuración escasa Una familia de diaclasas Una familia de diaclasas y algunas diaclasas aleatorias Dos familias de diaclasas Dos familias de diaclasas y algunas diaclasas aleatorias Tres familias de diaclasas Tres familias de diaclasas y algunas diaclasas aleatorias Cuatro familias o más familias, diaclasas aleactorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc. Roca triturada terrosa
Jn
0.5 – 1 2 3
Nota:
4
a) En
intersecciones
6
túneles
9
expresión (3Jn)
12
se
utiliza
de la
b) En las bocas de los túneles se utiliza la expresión (2Jn)
15 20
Fuente: (GONZÁLES DE VALLEJO, FERRER, ORTUÑO, & ORTEO, 2002)
Ă?ndice de rugosidad de las discontinuidades Jr a) Contacto entre 2 caras de la discontinuidad. b) Contacto entre las dos caras de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante inferior a 10 cm.
Jr
Diaclasas discontinuas.
4
Diaclasas ondulada, rugosa o irregular.
3
Diaclasas onduladas, lisas.
2
Diaclasas onduladas, perfectamente lisas.
1.5
Diaclasas planas, rugosas o irregulares.
1.5
Diaclasas planas, lisas.
Diaclasas planas, perfectamente lisas.
1
0.5
Nota: a) Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeĂąa escala y escala intermedia, por este orden.
Índice de rugosidad de las discontinuidades Jr No existe contacto entre las 2 caras de las diaclasas con poco desplazamiento lateral de menos de 10 cm. Zona de contenido de minerales arcillosos, suficiente gruesa a impedir el contacto entre las caras de las diaclasas. Arenas, gravas o zona fallada suficientemente gruesa para impedir el contacto entre dos caras de las diaclasas.
Jr
1
1
Nota: a) Si el espaciado de la principal familia de discontinuidades es superior a 3m, se debe aumento el índice Jn, en una unidad. b) En el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que presenten lineaciones, y que dichas lineaciones estén orientadas según la dirección de mínima resistencia, se puede utilizar el valor Jr = 0,5.
Índice de alteración de las discontinuidades Ja Descripción Contacto entre los planos de la discontinuidad (sin minerales de relleno intermedios. Discontinuidad cerrada, dura, sin reblandecimientos, impermeable, cuarzo. Planos de discontinuidad inalterados, superficies ligeramente manchadas. Planos de discontinuidades ligeramente alterados. Presentan minerales no reblandecibles, partículas arenosas, roca desintegrada libre de arcillas, etc. Recubrimiento de arcillas limosas o arenosas. Fracción pequeña de arcilla (no blanda) Recubrimiento de arcillas blandas o de baja fricción, es decir, caolinita o mica. También clorita, talco, yeso, grafito, etc., y pequeñas cantidades de arcillas expansivas.
Ja
Ør°
0.75 1
25 – 35
2
25 – 30
3
20-25
4
8 – 16
Contacto entre los planos de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante inferior a 10cm (minerales de relleno en pequeños espesores). Partícula arenosas, roca desintegrada libre de arcilla, etc.
4
25 – 30
Fuertemente sobre consolidados, con rellenos de minerales arcillosos no blandos. Los recubrimientos son continuos de menos de 5 mm de espesor.
6
16 – 24
Sobre consolidación media a baja, con reblandecimiento, relleno de minerales arcillosos (continuos pero de espesores inferiores a 5mm)
8
12 – 16
8 – 12
6 – 12
Rellenos de arcilla expansiva, de espesor continúo de 5mm. El valor Ja dependerá del porcentaje de partículas del tamaño de la arcilla expansiva.
No se produce contacto entre los planos de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante (rellenos de mineral de gran espesor) diaclasa cuando esta cizallada.
Zonas o bandas de roca desintegrad o trituradas y arcilla. Zonas blandas de arcillas limosas o arenosas con pequeña fricción de arcilla no reblandecibles. Zona o bandas continúas de arcilla de espesor grueso.
6 – 8 – 12
6 – 24
5 10,13 ó 13 – 20
6 – 24
Nota: Los valores expresados para los parámetros Jr, y Ja se aplican a las familias
de diaclasas o discontinuidades que son menos favorables con relación a la estabilidad.
Factor reductor por la presencia de agua Jw Descripción Excavaciones secas o pequeñas afluencias, inferiores a 5 l/min de forma localizadas. Afluencia o presión medias, con lavado ocasional de los rellenos de las discontinuidades.
Jw
Presión del agua Kg/cm2
1
<1
0.66
1-2.5
Afluencia importante o presión alta en rocas 0.5* 2.5-10 competentes con discontinuidades sin relleno. Afluencia importante o presión alta, produciéndose 0,33* 2,5-10 un lavado considerable de los rellenos de las diaclasas. Afluencia excepcionalmente alta o presión elevada >10 en el momento de realizar las voladuras, 0,2-0,1* decreciendo con el tiempo Afluencia excepcionalmente alta, o presión >10 elevada de carácter persistente, sin disminución 0.05-0.1* apreciable Los valores presentados con el signo * son meramente estimados. Si se instalan elementos de drenaje, puede incrementarse el valor de Jw. No se han considerado los problemas especiales derivados de la formación de hielo.
Condiciones tensionales de la roca 1.- Zona débil que interceptan la excavación, pudiendo desprendimientos de roca a medida que la excavación del túnel va avanzando.
S.R.F
Múltiples zonas débiles conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente, roca muy suelta a cualquier profundidad.
10
Zonas débil aisladas, conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente (profundidad de excavación < 50 m)
5
Zona débil aisladas, conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente (profundidad de excavación > 50 m)
2.5
Múltiples zonas de fractura en roca competente (libres de arcillas). (Cualquier profundidad). Zonas de fractura aislada en roca competente libre de arcilla (profundidad de la excavación < 50 m) Zonas fracturada aislada en roca competente libre de arcilla (profundidad de la excavación > 50 m) Terreno suelto, diaclasas abiertas, fuertemente fracturado, en terrones, etc. Cualquier profundidad.
7.5 5 2.5 5
Condiciones tensionales de la roca 2.Rocas competentes, problemas tensionales en las rocas. Tenciones pequeñas cerca de la superficie., diaclasas abiertas Tensiones medias, condiciones tensionales favorables. Tensiones elevadas, estructura muy compacta. Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorables para la estabilidad de los hastiales.. Lajamiento moderado de la roca después de 1 hora de rocas masivas. Lajamiento y estallido de la roca después de algunos minutos en roca masivas. Estallidos violentos de la roca (deformación explosiva) y deformaciones dinámicas inmediatas en rocas masivas.
σt/ σ1
σc/ σv
S.R.F
>200
>0.01
2.5
200 – 10
13 – 0.33
1.0
10 – 5
0.3 – 0.4
0.5 – 2.0
5–3
0.5 – 0.65
5 – 50
3-2
0.65-1
50-200
<2
>1
200-400
Condiciones tensionales de la roca 3.- Roca fluyente, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de altas presiones litostática.
S.R.F
Presión de deformación baja.
(1-5)
5 – 10
Presión de deformación alta.
( >5)
10 – 20
Presión Expansiva suave.
5 – 10
Presión Expansiva Intensa.
10 – 15
CLASIFICACIÓN CSIR DE LOS MACIZOS ROCOSOS FISURADOS No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo del macizo rocoso o de la roca que rodea la excavación. Por lo tanto, en esta clasificación se consideró necesario incluir alguna combinación de los factores RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización, el CSIR, Consejo de África del Sur para la Investigación Científica e Industrial, propuso una clasificación de este tipo.
Bieniawski, coautor de esta clasificación CSIR aconseja que una clasificación de un macizo rocoso fisurado debe: Divide el macizo en grupos de comportamiento similar.
Proporciona una buena base para la comprensión de las características del macizo. Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería. Proporciona una base común de comunicación efectiva para todas las personas interesadas en un problema de geomecánica.
Este propósito se lograría si la clasificación geomecánica a utilizar tiene las siguientes características: Es sencilla y significativa en sus términos. Se apoyó en parámetros que se dejan medir y pueden establecerse en el campo de manera rápida y económica
Para cumplir con estos requisitos Bieniawski propuso originalmente los siguientes parámetros:
RQD (índice de calidad de la roca) Grado de la meteorización Resistencia a la compresión uniaxial de la roca inalterada Distancia entre sí de fisuras y estratificación. Orientación del rumbo y el echado. Separación de las fisuras. Continuidad de las fisuras.
Infiltraciones de agua subterráneas.
Después de ajustes a la clasificación propuesta los cinco parámetros básicos utilizados para la cuantificación de las propiedades del macizo son: Resistencia de la roca inalterada: Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión de la roca que proponen Deere y Miller en la siguiente tabla.
Descripción
Resistencia muy baja
Resistencia a la compresión uniaxial
Ejemplo de roca característica
lfb/pulg2
Kgf/cm2
Mpa
150-3500
10-250
1_25
Yeso, sal de roca
Resistencia baja
3500-7500
250-500
25-50
Carbón, limolita, esquisto
Resistencia media
7500-15000
500-1000
50-100
Arenisca, pizarra, lutita
Resistencia alta
15000-30000
1000-2000
100-200 Mármol, granito, gneiss
>2000
Cuarcita,dolerita, gabro,basalto
Resistencia muy alta
>30000
>200
3.5 Asesores Externos RQD: Índice de calidad de la roca según Deere.
Espaciamiento de fisuras: El término fisura se utiliza para toda clase de discontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. Bieniawski utiliza la clasificación propuesta por Deere mostrada en la siguiente tabla. Espaciamiento de Descripción fisuras Muy separado >3m >10pie 3pie a Separado 1m a 3m 10pie Medianamente 1pie a 3 cerca 0,3m a 1m pie 500mm a 1pulg a Cerca 300mm 1 pie Muy cerca
<50mm
<2pulg
Apreciación de la roca Sólida Masiva Bloques junteados Fracturada Triturada y molida
El estado de las fisuras: 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 de las fisuras. Condiciones del agua subterránea: Se hace un intento de medir la influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos de caudal observado que penetra en la excavación.
Valuación de Parámetros La forma en la que los cinco parámetros han sido incorporados en la clasificación de Geomecánica CSIR para macizos fisurados se muestra en la Tabla donde aparecen los rangos de valores para cada parámetro de acuerdo a las condiciones descritas para cada sector.
Ejemplo práctico del uso de la clasificación de geomecánica (CSIR) Considérese el ejemplo de un macizo granítico en el que hay que perforar un túnel. La clasificación tendrá que llevarse a cabo de la manera siguiente: Parámetro de Valore o Valua clasificación Descripción ción 1. Resistencia del material inalterado 150MPa 12 2. RQD 70% 13 3. Espaciamiento de las fisuras 0.5M 20 Superficies levemente rugosas 4. Estado de las Separación < 20 fisuras 1MM. Paredes de roca dura 5. Agua Agua con presión Subterránea moderada 4 Marcador total 69
El túnel que orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tienen un rumbo perpendicular al eje del túnel con un echado de 30° contra la dirección de la penetración. La TABLA 6 señala que esta situación es desfavorable, or lo que hace un ajuste de -10 según la Tabla B. En esta forma el marcador final es de 59, lo que coloca la roca en la parte alta de la Clasificación III con mención “regular”. La figura nos indica un tiempo de sostén de aproximadamente 1 mes para un túnel de 3m sin ademe.
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA SRC La clasificación geomecánica SRC (Gonzales de Vallejo, 1985 y 2003) se basa en la RMR y se diferencia de esta por considerar el estado tensional del macizo rocoso, las condiciones constructivas del túnel y la utilización de datos de afloramientos. Los parámetros que intervienen son los siguientes: Resistencia de la matriz rocosa. Espaciado de las discontinuidades o RQD. Condiciones de las discontinuidades. Filtraciones. Estado tensional
Consideraciones En rocas de calidad buena y media (RMR I, II y III), se ha de usar Q o RMR de forma indistinta. En rocas de calidad mala y media (V, IV y III), con matriz blanda y tensiones notables, la clasificación SRC se ajusta mejor la RMR. Las correlaciones entre RMR, Q y SRC no son apropiadas en rocas de calidad mala y muy mala.
• Factor de competencia: Resistencia Uniaxial de la matriz rocosa divida por la tensión máxima vertical debida al peso del recubrimiento. • Factor de relajación: Edad geológica de la deformación tectónica principal (en años x 10-3) dividida por el máximo espesor de recubrimientos en metros. • Una vez obtenida la puntuación SRC, se utiliza este valor en lugar del RMR para el cálculo de estas propiedades del macizo y los sostenimientos.
Se calcula con el ensayo de durabilidad (slake durability) o de forma indirecta, estimando la proporción de arcilla en la roca. AEF: el coeficiente entre la distancia de excavación adyacente y el diámetro de la sección del túnel. PF: el cociente entre el espesor de recubrimientos en la boquilla y la altura del túnel.
CLASIFICACION GEOMECANICA DE ROMANA (SMR) La clasificación geomecánica SMR (“Slope Mass Rating”) de Romana (1985, 1993, 1995), es un método para determinar los factores de corrección adecuados para aplicar la clasificación RMR de Bieniawski (1973, 1979, 1989, 1993) a taludes; proporciona una división en clases de estabilidad y recomendaciones para métodos de soporte y/o corrección. Bieniawski ha incluido una versión resumida del método SMR en su último libro sobre clasificaciones de rocas (Bieniawski, 1989).
SMR = RMR + (F1 x F2 x F3) + F4
El RMR (rango de 0 a 100) se calcula de acuerdo con los coeficientes de Bieniawski (1989), como la suma de las valoraciones correspondientes a cinco parámetros. Resistencia a compresión simple de la matriz rocosa. RQD (medido en sondeos o estimado). Espaciamiento de las juntas. Condición de las juntas (rugosidad, persistencia, apertura, meteorización, rellenos...). Flujo de agua a través de las juntas (estando en las peores condiciones posibles) o razón de presiones intersticiales ru (que se define como la relación entre la presión intersticial del agua y la tensión principal mayor, ambas como valores medios a lo largo de las posibles superficies de las juntas susceptibles de provocar inestabilidades).
RMR básico=
Σ VALORACIONES
PARAMETRO
VALORACIONES
RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE (MPa) DE LA MATRIZ ROCOSA
> 250 15
12
7
4
RQD (%) (ROCK QUALITY DESIGNATION)
100-90
90-75
75-50
50-25
<25
20
17
13
8
3
SEPARACIÓN (mm) ENTRE JUNTAS
>2000
2000-600
600-200
200-60
<60
20
15
10
8
5
ESTADO DE LAS JUNTAS: RUGOSIDAD, CONTINUIDAD, SEPARACIÓN, RELLENO Y ESTADO DE LOS BORDES
MUY RUGOSAS. NO CONTINUAS. CERRADAS. BONORDES SANOS.
30 FLUJO DE AGUA EN LAS JUNTAS (RAZÓN DE PRESIONES INTERSTICIALES)
SECAS (0)
250-100
100-50
ALGO RUGOSAS. ALGO RUGOSAS. SEPARACIÓN < 1 mm. SEPARACION < 1 mm. BORDES ALGO BORDES MUY METEORIZADOS. METEORIZADOS.
25 LIGERAMENTE HÚMEDAS (0-0.1)
50-25
ESPEJOS DE FALLA o RELLENO < 5 mm o SEPARACIÓN 1-5 mm.
CONTINUAS.
25-5 2
< 25 5-1 1
<1 0
RELLENO BLANDO > 5 mm o SEPARACIÓN > 5 mm.
CONTINUAS
20
10
0
HÚMEDAS (0.1-0.2)
GOTEANDO (0.2-0.5)
FLUYENDO (0.5)
Factor de ajuste de las juntas F1
Depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara del talud. Varía entre1,00 (cuando ambos rumbos son paralelos) y0,15 (cuando el ángulo entre ambos rumbos es mayor de 30º y la probabilidad de falla es muy baja). Estos valores, establecidos empíricamente, se ajustan aproximadamente a la expresión:
F2
Depende del buzamiento de la junta en la falla plana. En cierto sentido es una medida de la probabilidad de la resistencia a esfuerzo cortante de la junta. Varía entre 1,00 (para juntas con buzamiento superior a 45º) y 0,15 (para juntas con buzamiento inferior a 20º). Fue establecido empíricamente, pero puede ajustarse aproximadamente según la relación:
F3
Refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud. Se han mantenido los valores propuestos por BIENIAWSKI en 1976 que son siempre negativos. Para fallas planas F3 expresa la probabilidad de que las juntas afloren en el talud. Se supone que las condiciones son "normales" cuando el buzamiento medio de la familia de juntas es igual al del talud, y por lo tanto aflorarán algunas pocas juntas.
El factor de ajuste según el método de excavación, F4 Los taludes naturales son más estables, a causa de los procesos previos de erosión sufridos por el talud, y de los mecanismos internos de protección que muchos de ellos poseen (vegetación, desecación superficial, drenaje torrencial, etc). F4= + 15. El precorte aumenta la estabilidad de los taludes en media clase F4= + 10. Las técnicas de voladura suave (recorte), bien ejecutadas, también aumentan la estabilidad de los taludes, F4= + 8.
Las voladuras normales aplicadas con métodos razonables no modifican la estabilidad, F4 = 0. Las voladuras defectuosas son muy frecuentes y pueden dañar seriamente a la estabilidad F4 = -8. La excavación mecánica de los taludes por ripado sólo es posible cuando el macizo rocoso está muy fracturado o la roca blanda. Con frecuencia se combina con prevoladuras poco cuidadas. Las caras del talud presentan dificultades de acabado. Por ello el método ni mejora ni empeora la estabilidad F4= 0.
El valor final del Ăndice de clasificaciĂłn SMR es:
Los valores lĂmites del SMR encontrados empĂricamente para cada forma de falla son:
CONCLUSIONES Son necesarios los modelos que, seleccionando una serie de factores geológicos, puedan predecir fiabilidad el comportamiento mecánico de un macizo rocoso ante una excavación. Tanto la clasificación Q como el SRC son ampliamente utilizadas en tunelería, por lo cual las obtenciones entre los dos métodos son especialmente útiles en el caso de túneles con objetivo exploratorios para obras subterráneas de mayor sección y complejidad. Se dio a conocer la estimación y puntuación de cada parámetro de acuerdo a la clasificación que se utilizará. Se puede concluir que la clasificación SMR proporciona una estimación muy fiable del verdadero comportamiento del talud.