1. guia de carcaterizacion macizos subterraneos

MECANICA DE ROCAS - RIESGOS GEOLOGICOS

CARACTERIZACION DE MACIZOS

TEMA I. CARACTERIZACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1.1 CLASIFICACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS

El estudio de los macizos rocosos fue muy importante durante la época deEjecución de los importantes túneles construidos en Europa y en los EE.UU.Tal fue la necesidad de los estudios que merecieron estas obras que terminaron dando origen a métodos de clasificación de los macizos rocosos que se emplean ahora para cualquier tipo de intervención ingenieril sobre macizos rocosos.

Abril, E.G., 2010. Macizos rocosos. Laboratorio Área Geotecnia (GeoLab), Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Argentina.

Los ingenieros necesitan de algún modo llevar la realidad de la naturaleza a magnitudes, para entonces proceder a relacionar tales magnitudes y realizar operaciones con ellas, con la finalidad de llegar a calcular y dimensionar las partes de las obras de ingeniería, más aun cuando se tienen excavaciones subterráneas con altos índices de inestabilidad. Una excavación subterránea es una estructura de gran complejidad y de las únicas herramientas que depende el proyectista para ayudarse son unos modelos extraordinariamente simplificados sobre alguno de sus fenómenos que se conjugan para formar para lograr la estabilidad de la excavación.

La caracterización del macizo rocoso es una tarea de observación, medición y ensayos, en base de los cuales se obtendrá parámetros cuantitativos útiles a la obra ingenieril. Además, esta fase se desarrolla a lo largo de todas las etapas comprendidas en el proyecto, es decir desde el diseño, durante la construcción y en la fase de operación. En la fase de diseño se necesita un nivel de caracterización mínima. El proceso de caracterización conlleva la ejecución de 3 fases fundamentales:

1. En una primera etapa se realizan trabajos de observación y medición desde un punto de vista geológico (descripción de discontinuidades),

2. El segundo nivel se realiza trabajos de medición indirectos (trabajos geofísicos) y

3. El tercer paso se desarrollan trabajos exploratorios como perforaciones, mediciones y ensayos geotécnicos.

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Figura 1. Macizos rocosos subterráneos



Los parámetros geotécnicos fundamentales son la resistencia al corte, la deformabilidad, la permeabilidad y el estado original de esfuerzos, tanto para macizos en rocas duras como en rocas blandas. En las segundas la durabilidad de las rocas y su potencial de expansión y fluencia deben ser propiedades de primer orden. Para cimentaciones en roca blanda, es decir, aquellos que se encuentra constituidos por materiales generalmente de origen sedimentario de grano fino, tales como limolitas, tobas y margas, además areniscas o conglomerados pobremente cementados, y en rocas metamórficas con orientación esquistosa desfavorable (filitas, esquistos), cuyo comportamiento geomecánico está controlado por la roca intacta y también por fracturas, diaclasas y fallas.

Los principales inconvenientes de una estructura en este tipo de macizos son asentamientos, rebote, falla a lo largo del contacto estructura-roca, la presión de poros, las fugas excesivas y rara vez la falla por la baja capacidad portante del macizo. En las pendientes o taludes, la altura condiciona el tipo de caracterización geotécnica, como también lo hace la resistencia de la roca intacta y la geometría de las discontinuidades.

Si es relevante la resistencia al corte, la deformabilidad puede tener interés por la inducción de fracturas de tensión en la corona, donde el agua introducida genera situaciones de inestabilidad que no existían. Las obras más difíciles de caracterizar son las excavaciones subterráneas, puesto que el escenario no se encuentra a simple vista, sino que se presenta oculto por un recubrimiento de materiales rocosos.

Entre los problemas a resolver en el diseño de túneles que han de conducir agua a presión están el de la estabilidad de las paredes sin agua y con ella, el grosor del refuerzo, la permeabilidad del macizo y la estabilidad de las laderas vecinas en caso de fuga de agua hacia sus taludes. La caracterización apropiada de los macizos rocosos, además de ser la base para el diseño de las obras, contribuye a la optimización del método constructivo, da vía al mejoramiento del macizo (anclajes, inyecciones, drenaje) y permite la programación de observaciones durante el funcionamiento de las obras.

TEMA II. DEFINICIONESIng. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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• Roca: agregado natural de partículas de uno o más minerales, con fuerte unión cohesiva permanente, que constituyen masas geológicamente independientes y cartografiables.

• Suelo: agregado natural de partículas minerales granulares y cohesivas, separables por medios mecánicos de baja energía o por agitación en agua.

• Macizo rocoso: conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carácter heterogéneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisótropo, consecuencia de la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, que condicionan su comportamiento geomecánico e hidráulico.

• Matriz rocosa = Roca matriz = Roca intacta: material rocoso sin discontinuidades, o bloques de roca entre discontinuidades. (Se caracteriza por su densidad, deformabilidad y resistencia; por su localización geográfica; y por su litología, ya sea ésta única o variada).

• Discontinuidad: cualquier plano de origen mecánico o sedimentario en un macizo rocoso, con una resistencia a la tracción nula o muy baja. (Genera comportamiento no continuo de la matriz rocosa, y normalmente anisótropo).

Factores del comportamiento mecánico de los macizos rocosos (objetivos del estudio):

Matriz rocosa: litología (características petrográficas y propiedades)

Discontinuidades: fracturación (tipo y frecuencia) Estructuras geológicas no discontinuas (sedimentarias, tectónicas:

pliegues…) Tensiones naturales (estado tensional o de esfuerzos, sismicidad,

movimientos…) Factores geoambientales:

- Grado de meteorización, susceptibilidad a la meteorización- Condiciones hidrogeológicas (nivel freático y sus

variaciones, contenido en humedad, circulación de agua…)

Aplicaciones geotécnicas de la descripción y caracterización de macizos rocosos:

Cimentación de edificiosIng. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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Estabilidad de taludes: escavados o naturales Construcción de muros y anclajes, escolleras Terraplenes, pedraplenes y presas de tierra Excavaciones a cielo abierto o superficiales Excavaciones subterráneas y túneles Obtención de materiales de construcción (balasto, macadam,

áridos, piedra natural) Mejora geotécnica de terrenos Control de filtraciones y drenajes

• Diaclasas o juntas (superficies de fractura, desplazamiento inexistente o muy pequeño): J1, J2 …

- origen tectónico: asociadas a pliegues, fallas- enfriamiento de rocas ígneas (transversales y longitudinales a

la línea de flujo)- relajación por descompresión (subparalelas a la superficie

topográfica)• Fallas (superficies de fractura, desplazamiento relativo entre los

bloques): F1, F2 …- falla normal (desplazamiento vertical, distensión, buzamiento

elevado)- falla inversa (desplazamiento vertical, compresión, buzamiento

bajo)- falla de desgarre (desplazamiento horizontal, buzamiento

vertical)

• Planos de estratificación (en rocas sedimentarias, limitan los estratos): S0

• Planos de esquistosidad (en rocas metamórficas deformadas): S1, S2 …

• Superficies de laminación (en rocas sedimentarias, limitan las láminas)

• Superficies de contacto (entre litologías, en rocas sedimentarias o ígneas: diques)1

1 M. FERRER y L. GONZÁLEZ DE VALLEJO (1999). Manual de campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. IGME, Madrid, 107 p.Ing. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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TEMA III. CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS

La necesidad de construir túneles llevó a los ingenieros a buscar una forma práctica de evaluar la calidad de la roca a intervenir desde el punto de vista ingenieril.

El macizo rocoso es un medio discontinuo, complejo, con un comportamiento geomecánico que puede ser estudiado y clasificado en función de su aptitud para distintas aplicaciones. Las clasificaciones geomecánicas aportan índices de calidad relacionados con parámetros geomecánicos del macizo, sostenimiento de túneles y taludes, excavabilidad.2

La descripción y medida de las características y propiedades de la matriz rocosa, de las discontinuidades y de los parámetros globales del macizo rocoso, proporcionan los parámetros requeridos por las distintas clasificaciones.

Diferentes criterios, todos ellos provenientes de expertos de indiscutible trayectoria, dieron como resultante una serie de métodos de evaluación y valoración:

Tabla N° 1. Métodos de clasificación de macizos rocosos.

METODOS DE CLASIFICACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS

METODOSCUALITATIVOS

TERZAGHI (1946)LAUFFER (1958)

METODOSCUALI / CUANTITATIVOS

DEER “RQD” (1941)BEINIAWSKY (1973)BARTON, LIEM y LUNDE “Q” (1974)JACOBS ASSOC. “RSR” (1984)BIENIAWSKY “RMR” (1984)

La necesidad de unificar criterios llevó a la comparación de los métodos más conocidos y a establecer entre ellos equivalencias, lo cual permitió en cierta manera uniformar la concepción de la calidad de los macizos rocosos o al menos poder efectuar calibraciones más adecuadas.

Una de las equivalencias planteadas es la efectuada entre el método de índole descriptivo de Terzaghi (1946) y el método cualitativo de Lauffer (1958).

2 L. GONZÁLEZ DE VALLEJO, M. FERRER, L. ORTUÑO y C. OTEO (2002). Ingeniería Geológica. Prentice Hall. Madrid, 715 p.Ing. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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Las equivalencias de los métodos de caracterización de macizos rocosos se muestran a continuación:

Figura 2. Equivalencias de clasificaciones: Terzagui y Lauffer

2.1 CLASIFICACIÓN CSIR DE LOS MACIZOS ROCOSOS FISURADOS

No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo de la roca que rodea una excavación y esto es lo que se habrá comprendido del comentario anterior. Por lo tanto, puede ser necesaria alguna combinación de los factores como el RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización Bieniawski, del South African Council for Scientific and Industrial Research (CSIR). (Consejo de África del Sur para la Investigación Científica e Industrial) propuso una clasificación de este tipo.

Esta se estudiará con algo de detenimiento ya que se trata de una de las dos clasificaciones que los autores de varios libros recomiendan para usar en el diseño preliminar de excavaciones subterráneas. Bieniawski aconseja que una clasificación de un macizo rocoso figurado, deba:

Dividir el macizo en grupos de comportamiento parecido. Proporcionar una buena base para la comprensión de las

características del macizo.


CLASIFICACION DE TERZAGUI (1946)DESCRIPTIVA

Roca intactaRoca estratificadaRoca moderadamente fracturadaRoca en bloques imperfectos vinculadosRoca triturada, quimicamente intactaRoca compresibleRoca expansiva

CLASIFICACION DE LAUFFER (1958)CUALITATIVA

Clase A: Roca estableClase B: roca inestable a largo plazoClase C: Roca inestable a corto plazoClase D: Roca trituradaClase E: Roca muy trituradaClase F: Roca compresibleRoca G: Roca muy compresible



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, y

Proporcionar una base común de comunicación efectiva para todas las personas interesadas en un problema de ingeniería.

Este propósito se logra si la clasificación:a. Es sencilla y significativa en sus términos; yb. Se apoyo 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 que su “Clasificación geomecánica “comprendiera los siguientes parámetros:

RQD (Índice de calidad de la roca) de Deere Grado de meteorización Resistencia a la compresión uniaxial de la roca inalterada Distancia entre sí de fisuras y estratificación Orientación del rumbo y el buzamiento (echado) Separación de las fisuras (entre grietas) Continuidad de las fisuras Infiltración de aguas subterráneas

Después de lograr algo de experiencia en la aplicación práctica de la Clasificación de Geomecánica (CSRI) original, Bieniawski, modificó su sistema, eliminando el grado de meteorización, debido a que su efecto está tomado en cuenta en la resistencia a la compresión uniaxial e incluyendo la separación y la continuidad de las fisuras en un nuevo parámetro: el estado de las fisuras.

Además, eliminó de la lista de parámetros básicos la orientación del rumbo y el buzamiento y sus efectos se toman en cuenta con un ajuste a la clasificación después de evaluar los parámetros básicos. Finalmente los cinco parámetros básicos de la clasificación quedaron como sigue:

a. El R.Q.D. de Deere

Para la obtención de estos datos se basara en la aplicación de la fórmula expuesta anteriormente, así como, la elección en su respectiva tabla (Tabla N°1).

b. Resistencia de la roca inalterada.

Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión uniaxial Ing. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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de la roca que proponen Deere y Miller y que se señala en la siguiente tabla (Tabla N° 2).

Tabla N° 2. Clasificación de la resistencia de roca inalterada de Deere y Miller.Descripción de la resistencia:

Resistencia a la compresión uniaxial Ejemplos de roca característicaLbr/pulg2 Kgr.f/cm2 MPa

Muy baja 150 - 3500 10 - 250 1 – 25 Yeso, sal de rocaBaja 3500 – 7500 250 – 500 25 – 50 Carbón, limolita, esquistoMedia 7500 – 15000 500 – 1000 50 – 100 Arenisca, pizarra, lutitaAlta 15000 - 30000 1000 – 2000 100 - 200 Mármol, granito, gneissMuy alta > 30000 > 2000 > 200 Cuarcita, dolerita, gabro,

basalto

c. Distancia (Espaciamiento) entre fisuras.

El término fisura se ocupara para toda clase de discontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. De nuevo Bieniawski utiliza la clasificación propuesta por Deere, la cual se señala en la tabla siguiente:

Tabla N° 3. Clasificación de Deere para el Espaciamiento de fisuras.

Descripción Espaciamiento de fisuras Apreciación de la roca

Muy separado > 3 m >10 pie SólidaSeparado 1m – 3m 3 pie – 10 pie MasivaMedianamente cerca 0.3m – 1m 1 pie – 3 pie Bloques junteadosCerca 50 mm – 300 mm pulg – 1 pie FracturadaMuy cerca < 50 mm < 2 pulg Triturada y molida

d. El estado de las fisuras

Este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno en las fisuras.

e. Condiciones de agua subterránea

Se hace un intento de medir la influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos del caudal observado que penetra en la excavación, y de la relación que existe entre la presión de agua en las fisuras y el esfuerzo general principal, o con alguna observación cualitativa general relacionada con el agua subterránea. La forma en la que estos parámetros han sido incorporados en la clasificación geomecánica Ing. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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CSRI para macizos fisurados, se muestra en la siguiente secuencia metodológica:

Clasificación de los parámetros. Ubicación lógica de los parámetros. Obtención de evaluaciones parciales. Ajuste de la evaluación. Condicionar los valores en función del rumbo y buzamiento de las

fisuras.

a. Clasificación de los parámetros

Bieniawski reconoció que cada parámetro no contribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del macizo. Por ejemplo, un R.Q.D de 90 y una resistencia a la compresión uniaxial de 200 Mpa parecerían indicar una roca de calidad excelente, pero una infiltración grande en esta misma roca puede cambiar radicalmente esta opinión. Por lo tanto, Bieniawski aplico una serie de “valuaciones de importancia” de sus parámetros en concordancia con las ideas de Wickham, Tiedemann y Skinner. En este parámetro se necesita conocer los siguientes datos:

- Resistencia del material inalterado (MPa)- RQD (%)- Espaciamiento de las fisuras (m)- Agua subterránea (presencia o no: magnitudes)

Conocidos estos datos se procede a su lógica ubicación en las tablas respectivas.

b. Ubicación lógica de los parámetros.

Se refiere a la ubicación más acertada de los parámetros antes mencionados, como el lógico suponer, el mayor o menor grado de experiencia permitirá una mejor ubicación.

c. Obtención de evaluaciones parciales.

Se ubica los valores en cada una de las siguientes tablas parciales:


MECANICA DE ROCAS - RIESGOS GEOLOGICOSCARACTERIZACION DE MACIZOS

Tabla N° 4. Clasificación Geomecánica CSRI de macizos de roca fisurada.

a. Parámetro Escala de valores

1

Resistencia de la roca inalterada

Índice de la carga de punta < 8 MPa 4 – 8 MPa 2 – 4 MPa 1 – 2 MPa

Para esta escala tan baja se prefiere la prueba de la resistencia a la compresión uniaxial.

Resistencia a la compresión uniaxial

> 200 MPa 100 – 200 MPa

50 – 100 MPa 25 – 50 MPa 10 – 25 MPa

3 – 10 MPa 1 – 3 MPa

Valuación 15 12 7 4 2 1 0

b.

2

Calidad del testigo de perforación RQD

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

Valuación 20 17 13 8 3

c.

3Espaciamiento de juntas > 3 m 1 – 3 m 0.3 – 1 m 50 – 300 mm < 50 mm

Valuación 30 25 20 10 5

d.

4Estado de las fisuras Superficies muy

rugosas, sin continuidad, sin separación. Paredes de roca dura.

Superficies algo rugosas, separación < 1mm, paredes de roca dura

Superficies algo rugosas, separación < 1mm, paredes de roca suave

Superficies pulidas o relleno < 5 mm. Esp. O fisuras abiertas 1 – 5 mm fisuras continuas.

Relleno blando < 5 mm o fisuras abiertas < 5 mmFisuras continuas.

Valuación 25 20 12 6 0

e. Parámetro Escala de valores



5Aguas subterráneas

Caudal por 10 m de túnel. Ninguna < 25 ltr. /min. 25 – 125 ltr. /min. > 125 ltr. /min.Relación:Presión de agua en la fisura y la tensión principal o mayor cero 0.0 – 0.2 0.2 – 0.5 > 0.5

Condiciones generales Totalmente seco Solo húmedo (agua de intersticios)

Ligera presión de agua

Serios problemas de agua

Valuación 10 7 4 0

Tabla N° 5. Clasificación Geomecánica CSRI de macizos de roca fisurada. (Continuación).

d. Determinación de la evaluación.

Se refiere a la valoración inicial obtenida y clasificada bajo la siguiente tabla:

Valuación 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20

Clasificación N°

I II III IV V

Descripción Muy buena roca

Buena roca Roca regular

Roca mala Roca muy mala

Tabla N° 6. Clasificación de rocas según el total de valuación.




e. Ajuste de la evaluación.

Cierto número de puntos o una evaluación se otorga a cada serie de valores de cada parámetro y se llega a una evaluación general del macizo al sumarse la evaluación de cada uno de sus parámetros.

Esta evaluación general necesita un ajuste por el concepto de orientación de las fisuras o que se logra cuando se aplican las correcciones que se señalan a continuación. Los valores obtenidos estarán en relación con alguno de los siguientes parámetros:

Tabla N° 7. Efecto del rumbo y echado de las fisuras en los túneles.

Rumbo perpendicular al eje del túnel Rumbo paralelo al eje del túnel

Echado de0° - 20°

independiente del rumbo

Penetración en el sentido del rumbo

Penetración contra el rumbo

Echado45° - 90°

Echado20° - 45°

Echado45° - 90°

Echado20° - 45°

Echado45° - 90°

Echado20° - 45°

Muy - favorable

Favorable Regular Desfavorable Muy desfavorable

Regular Desfavorable

Según los valores obtenidos, se procede a ubicar la valoración en la tabla de ajuste de valores, descrita a continuación:

Tabla N° 8. Ajuste en la evaluación por orientación en fisuras.

Orientación del rumbo y echado de las fisuras

Muy favorable

Favorable Regular Desfavorable Muy desfavorable

ValuaciónTúneles 0 - 2 - 5 - 10 - 12Cimentaciones 0 - 2 - 7 - 15 - 25Taludes 0 - 5 - 25 - 50 - 60

Según estos valores se ajusta el resultado parcial obtenido anteriormente. Luego se determina el significado de la obtención de este valor numérico.

f. Significado de la clasificación del macizo rocoso.

Ya determinado el valor final, tipo de macizo y la clase a la que pertenece se debe comprender el significado de esta valuación, la cual se determina en la siguiente tabla.

Tabla N° 9. Significado de la clasificación del macizo rocoso.




Clasificación N° I II III IV VTiempo medio de sostén

10 años para un claro de 5m.

6 meses para un claro de 4m.

1 semana para un claro de 3m.

5 horas para un claro de 1.5 m.

10 minutos para un claro de 0.5 m

Cohesión de la roca

> 300 Kg. Pa

200 - 300 Kg. Pa

150 – 200 Kg. Pa

100 - 150 Kg. Pa

< 100 Kg. Pa

Ángulo de fricción de la roca

> 45 ° 40° – 45° 35° - 40° 30° - 35° < 30°

Figura 3. Relación entre el tempo de sostén y la clasificación CSIR establecida por Bieniawsky




RESOLVER LOS SIGUIENTES EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

1. Se cuenta con un macizo granítico en el cual se debe franquear un túnel; al empezar la obra uno de los requisitos es determinar su clasificación en el CSRI. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los siguientes:

Resistencia del material Inalterado = 170 Mpa RQD = 85 % Espaciamiento en las fisuras = 60 mm. Estado de las fisuras = superficies muy rugosas, sin continuidad, sin

separación. Paredes de roca dura. Agua subterránea = Se prevé infiltraciones de 15 Ltr. / mint. Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal forma que el

sistema principal de fisuras tiene un rumbo paralelo al eje del túnel con un echado de 60°.


Resistencia del material Inalterado = 75 Mpa RQD = 65 % Espaciamiento en las fisuras = 25 mm. Estado de las fisuras = superficies algo rugosas, separación < 1 mm.

En Paredes de roca dura. Agua subterránea = Se prevé infiltraciones de 70 Ltr. / mint. Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal forma que el

sistema principal de fisuras tiene un rumbo perpendicular al eje del túnel con un echado de 60°, con una penetración en el sentido del túnel.


Resistencia del material Inalterado = 125 Mpa RQD = 75 % Espaciamiento en las fisuras = 25 mm. Estado de las fisuras = superficies algo rugosas, separación < 1 mm.

En Paredes de roca dura. Agua subterránea = Se prevé infiltraciones de 85 Ltr. / mint. Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal forma que el

sistema principal de fisuras tiene un rumbo perpendicular al eje del Ing. Jorge Michael Valarezo Riofrio

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túnel con un echado de 60°, con una penetración en el sentido del túnel.

2.2 Método de evaluación de la estabilidad del macizo propuesto por la NGI.

Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, Barton, Lien y Lunde del Norwegian Geotechnical Institute (NGI) (Instituto de Geotecnia de Noruega), propusieron un índice para determinar la calidad del macizo en túneles. Este método consiste en dar una valoración cuantitativa de un índice cualitativo del macizo rocoso, este valor será designado con la letra Q.

Como tal el método constituye un desarrollo y perfeccionamiento de otros métodos Deere (Estados Unidos), Nikalaev (Rusia), que utilizan la clasificación de las rocas según si indicador de calidad el RQD (Rock Quality Designation). Este método puede ser empleado tanto en la etapa de proyecto, como en la etapa de construcción (como medio de ajuste y control). Según los autores para utilizarlo en la etapa de proyecto (con el estudio de testigos) se requieren una serie de requisitos en la perforación y obtención del testigo que no siempre son factibles de cumplir en nuestro país. Por esta causa hasta estos momentos su mayor empleo se da como vía de control en excavaciones que se ejecutan. Para cumplir con los datos básicos necesarios para la aplicación de este método se debe conocer lo siguiente:

RQD (Índice de calidad de la roca) Grietas: sistemas, continuidad y rugosidad de las superficies de las

mismas, Grado de alteración de las grietas y su tipo de relleno, Las condiciones hidrogeológicas Esfuerzos ocasionados en el macizo.

La metodología que permite la aplicación de este método se sintetiza en los siguientes pasos, los cuales se constituyen en una secuencia lógica:

a. Datos Necesarios.

Los datos necesarios para la aplicación de este método se basan en pruebas de laboratorio y mediciones geológicas en el frente de trabajo, en las cuales se deberán obtener:

- Calidad de la roca- Sistema de fisuras- Rugosidad de fisuras




- Estado de fisuras- Estado del agua en las fisuras.- Reducción de esfuerzos.

Conocidos estos datos, se procede a cumplir con el segundo paso metodológico.

b. Aplicación de la expresión matemática. La expresión matemática mencionada es la siguiente:

Donde:RQD.- ( Rock Quality Designation). Índice de calidad de la roca.Jn.- (Joint set number). Es el número de sistemas de fisuras.Jr.- (Joint roughness number). Es el número de la rugosidad de las fisuras.Ja.- (Joint alteration number). Es el número de la alteración de las fisuras.Jw.- (Joint water reducción factory). Es el factor de reducción por agua en las fisuras.SRF.- (Stress reduction factor). Es el factor de reducción por esfuerzos.

La definición de estos términos se entiende por si solo, es decir, que el valor numérico de cada elemento antes mencionado se dará en su respectiva tabla particular. La fórmula, para su mejor entendimiento, se la puede analizar en partes o mejor dicho en tres coeficientes, así:

El primer cociente: (RQD / Jn). Que representa la estructura del macizo, es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques.

El segundo cociente: ( Jr / Ja). Representa la rugosidad y las características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los materiales de relleno.

El tercer cociente: (Jw / SRF). Consiste en parámetros de fuerzas; relacionan: carga disipada en la zona de fallas, esfuerzos de una roca competente, cargas en rocas plásticas y la presión del agua que tiene un efecto negativo en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisuras debido a la reducción del esfuerzo efectivo normal.


Q=RQDJ n

* JrJa

* JwSRF


Los valores unitarios para cada índice de aplicación se muestran en la siguiente tabla:

DESCRIPCION VALOR NOTAS1. Índice de calidad de la roca.A. Muy malaB. MalaC. RegularD. BuenaE. Excelente

RQD10 – 2525 – 5050 – 7575 – 9090 - 100

Se lo obtiene del estudio de testigos de perforación o directamente “In Situ”.

Donde RQD se reporta o es medido con un valor < 10, se le debe otorgar un valor nominal de 10.

Intervalos de 5 para RQD, o sea 100, 95, 90, etc., son suficientemente precisos.

2. Número de sistemas de fisuras.A. Masivo, sin o con pocas fisuras.B. Un sistema de fisuras.C. Un sistema de fisuras + 1 aislada.D. Dos sistemas de fisuras.E. Dos sistemas de fisuras + 1 aislada.F. Tres sistemas de fisuras.G. Tres sistemas de fisuras + 1 aisladaH. Cuatro sistemas de fisuras, fisuración intensa, etc.I. Roca triturada, terregal.

Jn0.5 – 1

23469121520

Para cruces en túneles utilizar ( 3 * Jn)

Para portales utilizar ( 2 * Jn)

3. Número de rugosidad de las fisuras.A. Para grietas discontinuas.B. Para grietas onduladas, continuas con superficies rugosas.C. Para grietas continuas, onduladas y lisas.D. Para grietas continuas y planas.E. Para grietas planas rellenas con un mineral secundario o cuando, sus

superficies no tienen contacto.

Jr4.03.02.01.5

1.0

Su valor se toma según el grado de continuidad y de rugosidad del sistema de grieta que se considere más crítico.

4. Número de alteración de las juntas.A. Para grietas soldadas (unión entre las paredes de la grieta).B. No hay relleno, pero las paredes de las grietas no están alterados.C. Las grietas están rellenas de arena o roca fragmentada (no hay

arcilla).D. Grietas con el relleno de limo o de limo arenasE. Grietas rellenas con microcaolinita, grafito y otros.

Ja0.75

1.0

2.03.0



F. Grietas rellenadas con un material areno arcilloso.G. Grietas rellenadas con materiales que contengan arcillas.H. Grietas amplias rellenas con arcilla.

4.05.0

6.0 – 8.08.0 – 20.0

Se analiza para el sistema de grietas que se considera más crítico o preponderante.

5. Factor de reducción por agua en las fisuras.A. Para macizos secos.B. Para macizos mojados (húmedos).C. Para macizos en el que el flujo es grande.D. Para macizos en los que el flujo es grande y se produce arrastre de

relleno de las juntas.E. Para macizos con flujo muy grande.

Jw1.0

0.6 – 0.80.5

0.30.10 – 0.20

Relaciona la dependencia de la cantidad de agua en las grietas.

6. Factor de reducción de los esfuerzos.

A. Macizo donde abundan zonas fracturadas, muy propensas al derrumbe.

B. Macizos donde existen zonas fracturadas propensas al derrumbe o fallas.

C. Macizos donde existan zonas fracturadas, fallas, rocas desligadas.D. Macizo donde existen rocas débilmente ligadas con muy baja

cohesión, agrietamiento no significativo y zonas de falla no pronunciadas.

E. Macizo sin grietas significativas, se considera normal.

SRF

10 – 20

7.5

5.0

2.51.0

Se toma a partir del estudio estructural del macizo.

Tabla N° 10. Descripción para la aplicación de Q.




c. Obtención de valores

A partir de los valores obtenidos para los diferentes índices de Q, en sus respectivas tablas, se procede a la aplicación de la fórmula.

d. Ejemplo de aplicación

Se requiere una planta subterránea de trituración en el pie de una roca caliza de una formación de vetas de plomo – zinc y se necesita saber el claro que se podrá dejar sin andeme. Se hace el análisis de la siguiente forma:

Tabla N° 11. Datos del ejercicio de aplicación.

CONCEPTO DESCRIPCION CONCEPTO VALOR1. CALIDAD DE LA ROCA.2. SISTEMA DE FIDURAS.3. RUGOSIDAD DE FISURAS.4. ESTADO DE FISURAS.5. ESTADO DEL AGUA EN LAS FISURAS.6. REDUCCIÓN DE LOS ESFUERZOS.

Buena2 SistemasRugosasRelleno de arcillasGrandes infiltracionesEsfuerzos medianos

RQDJnJrJaJw

SRF

80%434

0.441.0

En la figura patrón, se ve que la dimensión equivalente De máxima para una excavación sin ademe en este macizo es de 4 metros. Una cavidad subterránea permanente tiene una relación de refuerzo – excavación ESR de 1.6 y por lo tanto el claro sin soporte máximo que se puede considerar para esta planta de trituración es de ESR * De = 1.6 * 4 = 6.4 m.

Para poder relacionar el Indice de Calidad de los Túneles ( Q ) con el comportamiento de una excavación subterránea y con las necesidades de andeme (fortificación, sostenimiento) de la misma, Barton, Lien y Lunde inventaron un elemento cuantitativo adicional que llamaron: “La dimensión equivalente De “ de la excavación. Esta dimensión se obtiene al dividir el ancho, diámetro o altura de la excavación por una cantidad llamada “Relación Soporte de la Excavación ESR” (ESR: Excavation Support Ratio).

Las dimensiones se las puede obtener, mediante la siguiente expresión:




La relación de soporte de la excavación ESR tiene que ver con el uso que se pretende dar a la excavación y hasta donde se le puede permitir cierto grado de inestabilidad. Barton da los siguientes valores supuestos para ESR.

Tabla N° 12. Relación ESR.TIPO DE EXCAVACION ESR

A. Excavaciones mineras provisionales.B. Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua

para obras hidroeléctricas (con la excepción de las cámaras de alta presión para compuertas), túneles piloto (exploración), excavaciones parciales para compuertas subterráneas grandes.

C. Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas, túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de alta presión, túneles auxiliares.

D. Casas de máquinas, túneles carreteros y ferrocarrileros mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túnel.

E. Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deportes y reuniones, fábricas.

3 - 5

1.6

1.3

1.0

0.8

La ESR es más o menos análoga al inverso del “factor de seguridad” empleado en el diseño de taludes.

La relación entre el Índice de Calidad para los Túneles “Q” y la dimensión equivalente “De” de una excavación que se sostendrá sin andeme se ilustra en la Figura N° 2. Barton, Lien y Lunde, presentaron gráficas mucho más complicadas a partir de las cuales se pueden estimar la necesidad de andeme, pero es factible aplicar la gráfica mencionada.

2.3 Método desarrollado por Bulichev

Se constituye en un método similar al caso anterior debido a su similitud en algunos de sus datos. En este método se incrementa nuevos parámetros como son los coeficientes de fortaleza establecidos por Protodiákonov y los parámetros conocidos en las


De *ESR=Ancho de la excavación, diámetro o atura (m)

De=Ancho de la excavación, diámetro o atura (m )relación de soporte de la excavación ( ESR )



fisuras. Así en este método de caracterización se describirá la siguiente metodología:

a. Obtención de datos.

Los datos necesarios para la aplicación de este método, son los siguientes:

- Coeficiente de fortaleza de la roca.- Agrietamiento: separación entre fisuras, separación en la

fisura, tipo de relleno, entre otras- Dirección que predomina en el sistema de grietas a la

dirección de la excavación.

Todos los datos existentes, se basan en análisis de laboratorio y la imprescindible geología de exploración. b. Determinación de su valor cuantitativo.

Se lo denomina con la letra “S “y se lo obtiene bajo la aplicación de la siguiente expresión:

Donde, los parámetros de las siglas Kn, Kr, Kw,Ka, se interrelacionan con los datos del método anterior; así:Kn = JnKr = JrKw = JwKa = JaQuedaría por reconocer los valores de las siglas f, Km, Kt y Kα.

f.- Coeficiente de fortaleza de las rocas de Protodiákonov.


S=f KmKn

* Kr * KwKt * Ka * Kα



Km.- Es el coeficiente que caracteriza la influencia que tiene sobre la estabilidad del macizo su grado de agrietamiento, su valor se determina en dependencia del módulo de agrietamiento relativo

“n “. El módulo de agrietamiento relativo “n “se calcula mediante la siguiente expresión:Donde:a.- Semiancho de la excavación.l.- distancia media entre grietasA partir de los valores obtenidos de “n” se puede obtener los valores de Km. En la siguiente tabla.

Tabla N° 13. Valores de Km.Valores de n Valores de Km.

6060 – 2525 – 1212 – 6

6

0.5 – 2.52.5 – 5.05.0 – 7.51.5 – 9.09.0 - 10

Queda por reconocer dos coeficientes (Kt y Kα.).

Kt .- Es el coeficiente que caracteriza las dimensiones de la abertura (t) de las grietas no rellenas, sus valores se los determina de la siguiente tabla.

Tabla N° 14. Valores de Kt.CARACTERÍSTICAS DE “ t “ VALORES PARA Kt

t < 3mm o para grietas rellenast = 3.0 – 15 mm

t > 15 mm

1.02.04.0

Kα.- Es el coeficiente que caracteriza la dirección de la excavación con respecto al sistema de grietas, más desarrollada.

Tabla N° 15. Valores de Ka.CARACTERÍSTICAS DE “α “ VALORES PARA Kα

70 – 90 °20 – 70°< 20 °

1.01.52.0


n=2al



La relación (Km/Kn ) tiene como sentido físico el grado de fracturación del macizo por las grietas y la relación (Kr. Kw / Kt. Ka)caracterizan la resistencia cortante para las grietas.

c. Significados de los valores obtenidos

A partir de los valores de “S “que se obtengan y utilizando las siguientes tablas, se pueden dar una valoración, del macizo en estudio, en función de cinco categorías.

Tabla N° 16. Valores de categorías de estabilidad.CATEGORÍA DE ESTABILIDAD

GRUPO DE ESTABILIDAD DE LA ROCA VALOR DE “ S “

IIIIIIIVV

Macizos totalmente establesMacizos establesMacizos medianamente establesMacizos inestablesMacizos muy inestables

705.0 – 701.0 – 5.00.05 – 1.0

< 0.05

A partir de la clasificación dada en la tabla anterior, o sea por la categoría de estabilidad se ofrece en la tabla siguiente, algunas recomendaciones con respecto a la forma o tipo de sistema a emplear.

Tabla N° 17. Relación de la forma de sostenimiento vs tiempo de denudamiento.

CATEGORÍA DE

ESTABILIDAD

RECOMENDACIONES DEL TIPO O FORMA DE SOSTENIMIENTO

TIEMPO QUE LA ROCA PUEDE ESTAR

DENUDADA SIN DESTRUIRSE.

I Puede dejarse sin fortificar. Puede revestirse con una capa fina de hormigón lanzado (gunitado). Ilimitado

II Hormigón lanzado (gunitado) bulonado (anclas) o una combinación de ellas. Hasta 6 meses

III Fortificación metálica, de hormigón “In situ” y de bloques.

Hasta ½ mes

IV De blindas metálicas, de hormigón armado prefabricado.

Hasta 2 ó 3 días

V De blindas metálicas, de hormigón armado “insitu”.

El derrumbe puede seguir al denudamiento




GRUPO DE TRABAJO N° 1RESOLVER LOS SIGUIENTES EJEMPLOS DE APLICACION

A. Caracterización por el CSRI.

Se cuenta con un macizo de areniscas en el cual se debe franquear un túnel; al empezar la obra uno de los requisitos es determinar su clasificación en el CSRI, esto permitirá tener una apreciación en la necesidad o no de sostén (fortificación), del tiempo medio del mismo, de la medida de las fuerzas de cohesión y el ángulo de fricción del mismo. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los siguientes:

Resistencia del material Inalterado = 32 Mpa RQD = 55 % Espaciamiento en las fisuras = 125 mm. Estado de las fisuras = superficies pulidas o relleno < 5 mm.

fisuras abiertas continuas de 1 – 5 mm. Agua subterránea = No se prevé infiltraciones. Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal

forma que el sistema principal de fisuras tiene un rumbo paralelo al eje del túnel con un echado de 30°.

B. Caracterización bajo el método Noruego (NGI).

Se desea franquear, en una mina en explotación, un túnel básico de exploración de nuevos yacimientos minerales, para el desarrollo de dicha galería se deberá contar con el índice de calidad del túnel, como dato básico. Se desea conocer la dimensión equivalente o promedio en la cual se debería mantener abierta dicha galería, a más de su ancho (B) máximo que podrá alcanzar la misma. Los datos obtenidos de laboratorio y geología se describen a continuación:

La Calidad de la roca es regular, contando con un 75 % en función del índice de calidad de la roca,

Se ha distinguido por observación, un macizo con un sistema de grietas y estratificación, a más de grupos de las mismas con orientación caótica.




Las grietas en el macizo presentan una continuidad reconocida en secciones planas.

La grietas presentan un relleno de materiales de arcilla, como producto primario.

Se prevé, por datos hidrogeológicos, contar únicamente con humedad básica en el macizo, la cual solo humedecerá las rocas.

El macizo, como desventaja, presenta zonas de debilitamiento, propensas al derrumbe en cualquier sector.

C. Caracterización bajo el método desarrollado por Bulichev.

Se cuenta con un macizo de areniscas fuertes, en el cual se desea perforar y volar con el objetivo de desarrollarlo, se necesitara un ancho de excavación de 3.6 m debido a la maquinaria con la que se cuenta, a mas de que su sistema patrón de distancia entre fisuras se mantiene en 35cm. Se desea conocer su factibilidad o no al derrumbe y las posibles soluciones que se puedan dar en este caso. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los mismos del caso anterior, a los cuales se les ha sumado las siguientes:

Se cuenta con un espaciamiento en las fisuras rellenas > 20 mm.

Se prevé excavar a 45 ° del sistema central de grietas observadas.

GRUPO DE TRABAJO N° 2


Se cuenta con un macizo de basaltos en el cual se debe franquear un túnel; al empezar la obra uno de los requisitos es determinar su clasificación en el CSRI, esto permitirá tener una apreciación en la necesidad o no de sostén (fortificación), del tiempo medio del mismo, de la medida de las fuerzas de cohesión y el ángulo de fricción del mismo. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los siguientes:

Resistencia del material Inalterado = 250 Mpa RQD = 95 % Espaciamiento en las fisuras = 20 mm.




Estado de las fisuras = superficies algo rugosas. Separación < 1 mm., con paredes de roca suave.

El lo que respecta a las condiciones hidrogeológicas subterráneas, se prevé una presión ligera de agua, con infiltraciones > 90 litros / minuto.

Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tiene un rumbo perpendicular al eje del túnel con un echado de 80°, en contra del sentido de laboreo.


Se desea franquear, en una mina en explotación, un túnel básico de exploración de nuevos yacimientos minerales, para el desarrollo de dicha galería se deberá contar con el índice de calidad del túnel, como dato básico. Se desea conocer la dimensión equivalente o promedio en la cual se debería mantener abierta dicha galería, a más de su ancho (B) máximo que podrá alcanzar la misma. Los datos obtenidos de laboratorio y geología se describen a continuación:

La Calidad de la roca es muy buena, contando con un 95 % en función del índice de calidad de la roca,

Se ha distinguido por observación, un macizo con dos sistemas de grietas y estratificación.

Las grietas en el macizo presentan discontinuidades. La grietas presentan un relleno de materiales que les da el

carácter de estar soldadas, lo que por ventaja, no permite el desplome de pedazos en un largo tiempo.

Se prevé, por datos hidrogeológicos, contar con flujos grandes de aguas, los cuales ocasionarían el transporte del material.

El macizo, como desventaja, presenta agrietamientos soldados no significativos y zonas de fallas con baja inclinación (no pronunciadas).

C. Caracterización bajo el método desarrollado por Bulichev.1. Se cuenta con un macizo de basalto, en el cual se desea perforar

y volar con el objetivo de desarrollarlo, se necesitara un ancho de excavación de 4.2 m debido a la maquinaria con la que se cuenta, a más de que se conoce que el patrón de distancia entre grietas se




mantiene en 40 cm. Se desea conocer su factibilidad o no al derrumbe y las posibles soluciones que se puedan dar en este caso. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los mismos del caso anterior, a los cuales se les ha sumado las siguientes: Se cuenta con un espaciamiento en las fisuras rellenas > 20

mm. Se prevé excavar a 45 ° del sistema central de grietas

observadas.

GRUPO DE TRABAJO N° 3


1. Se cuenta con un macizo de esquistos en el cual se debe franquear un túnel; al empezar la obra uno de los requisitos es determinar su clasificación en el CSRI, esto permitirá tener una apreciación en la necesidad o no de sostén (fortificación), del tiempo medio del mismo, de la medida de las fuerzas de cohesión y el ángulo de fricción del mismo. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los siguientes:

Resistencia del material Inalterado = 90 Mpa RQD = 35 % Espaciamiento en las fisuras = 10 mm. Estado de las fisuras = superficies muy rugosas, sin

continuidad, sin separación, con paredes de roca dura. El lo que respecta a las condiciones hidrogeológicas

subterráneas, se prevé una presión ligera de agua, con infiltraciones > 60 litros / minuto.

Según datos geológicos: el túnel quedó orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tiene un rumbo perpendicular al eje del túnel con un echado de 35°, en contra del sentido de laboreo.


Se desea franquear, en una mina en explotación, un túnel básico de exploración de nuevos yacimientos minerales, para el desarrollo de dicha galería se deberá contar con el índice de calidad del túnel,




como dato básico. Se desea conocer la dimensión equivalente o promedio en la cual se debería mantener abierta dicha galería, a más de su ancho (B) máximo que podrá alcanzar la misma. Los datos obtenidos de laboratorio y geología se describen a continuación:

La Calidad de la roca es muy buena, contando con un 65 % en función del índice de calidad de la roca,

Se ha distinguido por observación, un macizo con tres sistemas de grietas.

Las grietas en el macizo no presentan contacto entre sus paredes.

La grietas presentan un relleno de materiales areno - arcillosos.

Se prevé, por datos hidrogeológicos, la carencia de fluentes de agua subterránea.

El macizo, como desventaja, presenta agrietamientos soldados no significativos y zonas de fallas con baja inclinación (no pronunciadas).

C. Caracterización bajo el método desarrollado por Bulichev.

Se cuenta con un macizo de esquistos, en el cual se desea perforar y volar con el objetivo de desarrollarlo, se necesitara un ancho de excavación de 5.3 m debido a la maquinaria con la que se cuenta, a más de que se conoce que el patrón de distancia entre grietas se mantiene en 40 cm. Se desea conocer su factibilidad o no al derrumbe y las posibles soluciones que se puedan dar en este caso. Los datos de laboratorio, geológicos e hídricos son los mismos del caso anterior, a los cuales se les ha sumado las siguientes:

Se cuenta con un espaciamiento en las fisuras rellenas > 12 mm.

Se prevé excavar a 15° del sistema central de grietas observadas.




BIBLIOGRAFÍA

ABRIL, E.G., 2010. Macizos rocosos. Cátedra de Geotecnia I, Cuadernos Didácticos de Geotecnia. Laboratorio Área Geotecnia (GeoLab), Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Córdoba, Argentina.

FERRER M. y GONZÁLEZ DE VALLEJO (1999). Manual de campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. IGME, Madrid, 107 p.

GONZÁLEZ DE VALLEJO, M. FERRER, L. ORTUÑO y C. OTEO (2002). Ingeniería Geológica. Prentice Hall. Madrid, 715 p.

Loja, noviembre del 2013


1. guia de carcaterizacion macizos subterraneos

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