la clasificación geomecánica
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clasificación geomecanica de las rocasTRANSCRIPT
Introducción
La Geomecánica es una ciencia empírica que trata el tema de Mecánica de Rocas y el
Comportamiento de los materiales cohesivos en procesos de esfuerzos y
deformaciones.
La aplicación correcta de la Geomecánica sirve como herramienta estratégica de
gestión en minería. Su importancia radica en la toma de decisiones en las
operaciones mineras, buscando lograr labores estables y seguras.
Es por ese motivo que la Geomecánica juega un papel importante en la solución de los
Problemas de estabilidad de las labores.
El trabajo consiste en:
Conocimiento del método geomecanico
informar sobre el entorno Geomecánico
informar sobre los métodos geomecanicos
dar a conocer sobre la clasificación geomecanica de las rocas en minas
OBJETIVO GENERAL
Analizar e informar sobre los modelos y propiedades de la clasificación geomecanica de las rocas.
Objetivos Específicos
informar sobre los métodos de clasificación geomecanica de las rocas Analizar la importancia de los coeficientes necesarios para la interpretación de la
geomecaina. Entender la importancia de las propiedades de las rocas para su aplicación en los
movimientos en la geomecanica.
Clasificación geomecanica de rocas
Geomecánica implica el estudio geológico del comportamiento del suelo y rocas. Son las
dos principales disciplinas de la geomecánica mecánica de suelos y mecánica de rocas.
La mecánica de suelos trata del comportamiento de suelo desde pequeña escala a una
escala de talúd.
La mecánica de rocas se refiere a temas en ciencias de la tierra relacionados con la
caracterización de masas de las rocas y de la mecánica de las rocas, como se aplica a la
industria del petróleo o altas profundidades, diseño de túneles, rotura de la rocas, y los
útiles de perforación.
Muchos aspectos de la geomecánica se superponen con partes de la ingeniería
geotécnica, y de la ingeniería geológica. Los avances modernos se refieren
a sismología, mecánica de medios continuos, mecánicos discontinuum y Fenómenos de
Transporte.
En la industria de la ingeniería petrolera, la geomecánica se utiliza para predecir los
parámetros importantes, tales como las tensiones in-situ de las rocas, módulo de
elasticidad, coeficiente de fugas y el coeficiente de Poisson.
Los parámetros del yacimiento incluyen: la formación de la porosidad, la permeabilidad y la
presión del fondo del pozo que se pueden derivar de la evaluación geomecánica. El
ingeniero geotécnico o geofísico se basa en varias técnicas para la obtención de modelos
geomecánicos fiables.
La Geomecánica Aplicada al Diseño Subterráneo:
La Geomecánica constituye en la actualidad la base científica de la ingeniería minera,
puesto que esta a diferencia de la ingeniería civil, tiene sus propias peculiaridades,
guiados por el concepto “vida económica”, junto con el beneficio económico con
márgenes ajustados de seguridad, lo cual crea problemas de diseño que son únicos a
la explotación de minas. En este contexto la Geomecánica involucra seguridad y
economía.
BENEFICIOS DE LA GEOMECANICA:
Garantizar la seguridad durante la excavación de las labores mineras, a través del
análisis de deformaciones, niveles de presiones, tensiones, etc.
Definición de las aberturas máximas y tiempos de autosoporte de las excavaciones
mineras: ejecutadas y las futuras a ejecutarse.
Determinación de la estabilidad estructuralmente controlada de las labores de
preparación y explotación, verificando en cada una de ellas la formación de bloques y
cuñas inestables.
Permitirá definir las orientaciones más favorables para el minado de las labores de
preparación y desarrollo a ejecutarse.
Permitirá definir las secuencias de explotación, tanto a nivel global como
particularmente.
Permitirá definir las categorías de sostenimiento a aplicarse, determinando
estándares de sostenimiento en función a los tiempos de exposición de las labores
mineras: explotación y desarrollo.
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS PARA EL CONTROL DEL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO:
a) EXTENSOMETRO DE CINTA DIGITAL para medir las deformaciones y/o
convergencia de las paredes o techos de las excavaciones subterráneas.
b) MARTILLO DE SCHMIDT es un instrumento para realizar ensayos de dureza y/o
resistencia de la roca, se mide mediante el rebote sobre la superficie de la estructura.
c) EQUIPO DE PULL TEST esta máquina de arranque de pernos determina la
capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual o repartido)
en un determinado macizo rocoso
LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE PROTODYAKONOV
La clasificación geomecánica de Protodyakonov, de principios del siglo XX, permite
calcular la carga que ejerce el terreno sobre el sostenimiento del túnel en función de
dos factores, únicamente:
La anchura del túnel (B)
El coeficiente de resistencia (f)
Este coeficiente depende de la resistencia a compresión simple (RCS), el ángulo de
rozamiento interno (φ) y la cohesión (c) del terreno, de forma que para rocas, “f” vale
una décima parte de la resistencia a compresión simple (en MPa), mientras que para
suelos se toma
f = tg φ + c/RCS
El planteamiento teórico del método es muy similar al utilizado posteriormente en
la clasificación geomecánica de Terzaghi, aunque Protodyakonov simplifica mucho las
expresiones al considerar que las cargas de compresión creadas por el terreno se
distribuyen de forma parabólica.
A grandes rasgos, lo que hace es:
Considerar un arco parabólico triarticulado trabajando a compresión.
Plantear el equilibrio de fuerzas, compensando las cargas verticales y
horizontales mediante el factor “f” (a modo de coeficiente de rozamiento).
Buscar la mayor altura estable “h” que puede desarrollar el terreno, obteniendo
así la igualdad h = B/2f
Como se conoce la ecuación de esa parábola, se puede medir esta cantidad de
terreno, obteniendo una carga total sobre el revestimiento de:
Q = (1/3) · γ · B²/f
O, en términos de tensión sobre la sección:
σ = (1/3) · γ · B/f
(siendo γ la densidad del material)
LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE LAUFFER (1958)
La clasificación geomecánica de Lauffer parte de las ideas de Stini de 1950 sobre la
importancia de los defectos del macizo rocoso en su comportamiento mecánico. La
hipótesis principal de la clasificación es que el sostenimiento depende, en gran
medida, de la calidad de la roca
Para cuantificarlo, Lauffer estudió diferentes tipos de excavación (incluso minas
abandonadas) en diferentes tipos de roca, midiendo el tiempo que eran capaces de
mantenerse estables antes de desmoronarse.
A partir de los datos obtenidos, clasificó los terrenos en siete categorías, indicando el
tipo de sostenimiento más apropiado para cada terreno en función de dos parámetros:
La longitud libre o vano crítico: Menor de las dos dimensiones -diámetro o
longitud de galería- que se puede mantener estable sin revestimiento.
Tiempo de estabilidad o mantenimiento (Stand Up Time): Tiempo que puede
mantenerse, sin desmoronarse, dicha longitud libre.
LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE RQD DE DEERE
La recuperación de un sondeo se define como el porcentaje de testigo obtenido
respecto de la longitud total del sondeo, y aunque para sondeos en suelo es un
parámetro muy útil, para sondeos en roca no se puede decir lo mismo, ya que en estos
materiales la recuperación suele ser casi siempre muy alta.
Deere definió entre 1963 y 1967 su RQD, o Rock Quality Designation, como el
porcentaje de recuperación de testigos de más de 10 cm de longitud (en su eje, y sin
tener en cuenta las roturas debidas al propio proceso de perforación) respecto de la
longitud total de sondeo.
DESVENTAJAS
No sirve para suelos, por
mucho que algunos se empeñen
Se desarrolló para rocas ígneas, por lo que falla bastante en rocas estratificadas
No debe tenerse en cuenta en el caso de roturas por desecación, retracción o
tensiones longitudinales
Depende de la dirección del sondeo
Hay que saber usarlo con precaución
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI
La clasificación geomecánica RMR, también conocida como clasificación geomecánica de Bieniawski, fue presentada por el Ingeniero Bieniawski en 1973 y modificada sucesivamente en 1976, 1979, 1984 y 1989. Permite hacer una clasificación de las rocas 'in situ' y estimar el tiempo de mantenimiento y longitud de un vano. Se utiliza usualmente en la construcción de túneles, de taludes y de cimentaciones. Consta de un índice de calidad RMR , independiente de la estructura, y de un factor de corrección
El RMR se obtiene estimando cinco parámetros
la resistencia a compresión simple de la roca
RQD
la separación entre las diaclasas
su estado
la presencia de agua freática.
Al resultado de cada uno de los parámetros se le asigna, según las tablas, un valor y se suman todos ellos para obtener el índice de calidad RMR sin correcciones.
Tabla de clasificación
El valor se clasifica en función de la siguiente tablas
RMRDescripció
nTiempo Medio Sosténimiento Ángulo Buzamiento
0 - 20 Muy pobre 10 min./0.05 min < 30º
21 - 40 Pobre 5 horas/ 15 min 30-35º
41 - 60 Regular 1 sem. / 3 meses 35-40º
61 - 80 Bueno 6 a 4 meses 40-45º
81 - 100 Muy bueno > 5 meses 45º
LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE LAUBSCHER (1976)
La clasificación geomecánica de Laubscher es una modificación de la de Bieniawski
(1976, 1979) y está basada en experiencias en explotaciones mineras, generalmente
en roca dura y a profundidades elevadas, donde las tensiones naturales e inducidas
por la explotación juegan un importante papel.
Además de la consideración de los campos tensionales, las aportaciones de
Laubscher van dirigidas a los efectos de las voladuras así como a la influencia de la
meteorización en los macizos rocosos.
El índice de calidad del macizo rocoso se obtiene como suma de los cinco parámetros
siguientes:
1. R.Q.D. Rock Quality Designation
2. I.R.S. Resistencia de la roca intacta
3. Indice del espaciado de las juntas
4. Estado de las juntas
5. Flujo de agua
Se realizan una serie de ajustes dependiendo de:
La meteorización
Tensiones de campo e inducidas
Cambios tensionales debido a la propia explotación
Tipo de excavación y orientación respecto a la estructura geológica
Efecto de las voladuras
Los resultados obtenidos son: el valor del RMR, clase, subclase y descripción del
macizo rocoso y el diseño del sostenimiento dependiendo del RMR.
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BARTON
El sistema consiste en dar al terreno una serie de parámetros que sustituiremos en
una formula para así formar un índice denominado Q que es con el que podremos
diseñar el sostenimiento, la variación del índice Q no es como en el caso del RMR una
variación lineal, en este caso se da una variación exponencial.
En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de
calidad Q, basado en los seis parámetros siguientes:
- R.Q.D. Rock Quality Designation (RQD)
- Numero de familias de juntas (Jn)
- Rugosidad de las juntas (Jr)
- Meteorización de las juntas (Ja)
- Presencia de agua (Jw)
- S.R.F. Stress Reduction Factor (SRF)
Expresiones.
Máximo Vano sin sostener.
Max. Vano = 2·ESR·Q 0,4
Presión sobre la clave.
Con 3 o más familias de juntas.
P = 2 / (Jr· 3√Q)
Con menos de tres.
P = 2·√(Jn) / (3·Jr·3√Q)
Longitud de los bulones. L
B: Anchura de la excavación
Presión sobre hastíales.
Las mismas expresiones que arriba pero con las siguientes modificaciones en la Q.
-Si Q >10, tomar 5Q
-Si 0,1< Q < 10, tomar 2,5Q
-Si Q < 0,1 , tomar sólo Q
Profundidad Crítica del macizo (m) Resistencia aparente a compresión
H > 350 · Q 1/3
del macizo rocoso.
q = 7 · γ · Q 1/3
CLASIFICACIÓN GEOMECANICA DE HOEK Y BROWN.
Hoek y Brown introdujeron su criterio de rotura en un intento de proporcionar los datos
de partida para el análisis necesario en el diseño de excavaciones subterráneas en
roca competente. El criterio se dedujo a partir de los resultados de las investigaciones
de Hoek de roturas frágiles de rocas intactas y de un modelo de estudio del
comportamiento de macizos rocosos de Brown. El criterio partía de las propiedades de
la roca intacta y entonces se introducían factores reductores de esta propiedades
sobre la base de las características de un macizo rocoso diaclasado.
Los autores, intentando relacionar el criterio empírico con las observaciones
geológicas, por medio de uno de los sistemas de clasificación de los macizos rocosos,
eligieron para este propósito el RMR (Rock Mass Rating) propuesto por Bieniawski
LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE LAUBSCHER
La clasificación geomecánica de Laubscher es una modificación de la de Bieniawski
(1976, 1979) y está basada en experiencias en explotaciones mineras, generalmente
en roca dura y a profundidades elevadas, donde las tensiones naturales e inducidas
por la explotación juegan un importante papel.
Además de la consideración de los campos tensionales, las aportaciones de
Laubscher van dirigidas a los efectos de las voladuras así como a la influencia de la
meteorización en los macizos rocosos.
El índice de calidad del macizo rocoso se obtiene como suma de los cinco parámetros
siguientes:
- R.Q.D. Rock Quality Designation
- I.R.S. Resistencia de la roca intacta
- Indice del espaciado de las juntas
- Estado de las juntas
- Flujo de agua
Se realizan una serie de ajustes dependiendo de:
- La meteorización
- Tensiones de campo e inducidas
- Cambios tensionales debido a la propia explotación
- Tipo de excavación y orientación respecto a la estructura geológica
- Efecto de las voladuras
Los resultados obtenidos son: el valor del RMR, clase, subclase y descripción del
macizo rocoso y el diseño del sostenimiento dependiendo del RMR.
Nuevo Método Austriaco de Túneles (NATM)
En otras palabras, conforme la calidad de la masa rocosa auto soportante varíe a lo
largo de la longitud del túnel, así será el soporte temporal que se colocara en el
mismo.
Patentado en 1956 (Rabcewicz y otros), surgió tras la ejecución de los grandes túneles
de los Alpes y el desarrollo de las técnicas de bulonado y morteros proyectados, así
como de un mejor entendimiento de las relaciones presión-deformación en torno a las
cavidades.
Se caracteriza por la aplicación de un revestimiento delgado semirígido, colocado
inmediatamente, antes de que la roca se vea alterada por la descompresión.
El revestimiento se diseña para que se alcance el equilibrio permanente después de
producirse el reajuste de esfuerzos entre la roca y dicho revestimiento.
No se especifica el material del revestimiento. Puede ser variado: anclajes, bulones,
gunita, hormigón, cerchas, etc., o combinaciones entre ellos.
Método del Índice de Resistencia Geológica (GSI, Hoek (1994)
El índice de resistencia geológica, GSI, fue desarrollado por Hoek (1994) para
subsanar los problemas detectados con el uso del índice RMR para evaluar la
resistencia de macizos rocosos según el criterio generalizado de Hoek-
Brown. Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros
que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:
RMS
Es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y
grado de trabazón.
JC
es la condición de las estructuras presentes en el macizo rocoso.
La evaluación del GSI se hace por comparación del caso que interesa con las
condiciones típicas, y el mismo puede variar de 0 a 100, lo que permite definir 5
clases de macizos rocosos:
· Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 £ GSI £ 20).
· Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 <GSI £ 40).
· Macizos de calidad REGULAR (Clase III, 40 <GSI £ 60).
· Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 <GSI £ 80).
· Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 <GSI £ 100)
Respecto al uso del índice GSI para caracterizar geotécnicamente el macizo
rocoso, es conveniente indicar lo siguiente:
1.- No es aplicable en aquellos casos en que el comportamiento del macizo rocoso
presenta un claro control estructural. De hecho, cuando el macizo presenta solo
dos sets de estructuras el criterio de Hoek-Brown (para el cual fue desarrollado el
GSI) debe aplicarse con mucho cuidado.
2.- No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que al
evaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio
de Hoek-Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”).
3.- No considera el espaciamiento entre estructuras, ya que éste está
implícitamente incluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a mayor
espaciamiento el macizo es más masivo y a menor espaciamiento es de mayor
blocosidad).
4.- No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek-Brown se define
en términos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”).
El índice GSI debe definirse en un rango y no como un valor específico. En la
práctica es usual definir un rango de unos 15 puntos.