manual - mecanica de rocas

MANUAL DE MECANICA DE ROCAS----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOUNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIASFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA TOPOGRAFICA Y AGRIMENSURATOPOGRAFICA Y AGRIMENSURA

MANUALMANUAL

GEOTECNIAGEOTECNIA

MECANICA DE ROCASMECANICA DE ROCAS

Ing. Juan Fredy CALLA FERNANDEZIng. Juan Fredy CALLA FERNANDEZC.I.P. 44846

C.U. - PUNO – PERU

2008

- 1 -Ing. Juan Fredy CALLA FERNANDEZ

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MECANICA DE ROCAS

INTRODUCCIÓN.

La estabilidad de un macizo rocoso en el proceso de excavación superficial o

subterránea, ha sido un tema de mucha importancia en la era de los ferrocarriles, tanto

en la minería como en el transporte público o en cualquier otra obra civil, recobrando su

relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce

de ríos por debajo, e incluso creando túneles Falsos en las ciudades para aliviar el

tráfico vehicular. También podemos mencionar a Galerías y Cavernas que no es otra

cosa que túneles pequeños en secciones menores a 3 m de radio en la bóveda, que son

utilizados mayormente en la Hidráulica o con fines exploratorios.

Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico – Geotécnico

del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega un papel

fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseño

con los elementos necesarios para el sostenimiento del túnel en función a la altura de

carga (zona de aflojamiento) después de la excavación, con estos datos ya se podría

estimar el costo de la obra tunelera lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad

de esta alternativa. En los Túneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad

son controlados por el grado de alteración y por las anisotropías existentes en el macizo,

tales como la estratificación, juntas, fallas, cuya relación con los mecanismos de

inestabilización es regida por los siguientes factores:

Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición (rumbo

y buzamiento

Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades.

Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.

Rotura y movimientos anteriores.


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Existen muchos métodos útiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre ellos se

puede escoger algunos métodos elaborados por autores conocidos mundialmente en el

campo de la mecánica de rocas que realiza análisis específicos para el diseño de túneles

entre estos podemos mencionar a Barton y Bieniawski,

DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL ROCOSO.-

Como ya es conocido que la roca es como producto de una mezcla de ciertas especies

minerales, formada por la naturaleza. En una roca más dura estos minerales están

firmemente unidos; las formas, tamaños y orientación (determinada o irregular),

establecen la resistencia o consistencia de la roca. La roca fragmentada, no

consolidada, está constituida también por distintos minerales, principalmente variedades

de minerales arcillosos, hidróxidos de hierro y cantidades variables de minerales

originales principalmente fragmentados.

La masa rocosa se describe anotando las siguientes propiedades estructurales: rupturas

(discontinuidades), planos de estratificación en rocas sedimentarias y laminación en

otras, resistencia, módulo de deformación, permeabilidad secundaria (conductividad

hidráulica) y velocidad sísmica.

Para la descripción del material de roca, también se puede describir, los siguientes

parámetros: Color, tamaño de grano, textura, densidad relativa, dureza, grado de

intemperismo, resistencia, permeabilidad primaria, velocidad sísmica, módulo de

elasticidad, coeficiente de expansión, resistencia al deslizamiento y nombre de la roca.

Índices descriptivos para el material rocoso.-

Respecto a los índices, son descripciones cualitativas, por lo que es necesario definir las

propiedades con detalle para obtener uniformidad:

Color.-

Consiste de tres componentes: matiz, intensidad y valor, es lo generalmente conocido

(Ejemplo rojo), intensidad es el calificador (ejemplo rojizo) y el valor es un parámetro

muy amplio (claro u oscuro).

Tamaño de grano.-

El método empleado para la clasificación de tamaños se basa en una serie de mallas o

cribas estándar, pero para poder describir la roca sólida, ésta se debe cortar en secciones

delgadas y transparentes para examinarlos bajo la luz de los microscopios utilizados en


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petrología. Es muy difícil obtener las dimensiones de un grano a partir de una

sección delgada, porque al cortar dicha sección se puede haber cortado una parte del

cristal y, por lo tanto, éste no aparece completo en la sección. Las secciones

transversales de cristales alargados no muestran su longitud real. Se utilizan métodos

estadísticos para medir el tamaño del grano de rocas en secciones delgadas. Los

cristales mayores de 60 µm de tamaño, se pueden ver sin la ayuda del microscopio. La

roca que contiene granos menores que este tamaño se clasifica como de grano fino.

Algunas rocas están compuestas claramente por minerales de dos tamaños diferentes de

grano. Dichas rocas se denominan porfiríticas.

Textura, factor de textura y estructura.

Estos términos se utilizan de diferentes maneras en los libros de texto de geología, por

lo que es necesario definir cada uno de ellos para su uso en geotecnia. La textura se

refiere a los granos individuales de minerales, su tamaño, forma y grado de

cristalización. El factor de textura es la relación entre los granos, la manera como están

arreglados o distribuidos dentro de la roca. En algunas rocas los minerales están

orientados en forma irregular, pero en las metamórficas los cristales planos o alargados

presentan un arreglo con orientación paralela (pizarra y esquistos). La estructura se

refiere a una escala mayor de rasgos de las rocas, por ejemplo, algunas tienen la misma

apariencia en toda la masa rocosa (son homogéneas), otras poseen capas de diferente

composición mineral, lo que da a la roca un aspecto bandeado, lo cual se denomina

exfoliación.

Textura. Cristalina, criptocristalina (cristalina ya cuando se ve con el microscopio),

granular (como el azúcar), amorfa (no tiene forma definida) y vítrea.

Factor de textura. Minerales con orientación variable, esquistosidad (orientación

paralela). La orientación de los cristales o granos se puede determinar mediante la

identificación y medición de las posiciones de los ejes cristalográficos con la ayuda de

un microscopio petrológico. El procedimiento requiere de mucho tiempo por lo que es

poco frecuente su empleo en geotecnia. No obstante, la orientación de los minerales es

un factor determinante de la consistencia de la roca.

Intemperismo.-

Es el resultado de procesos mecánicos y químicos en o cerca de la superficie terrestre,

cuando los minerales originales (primarios) se descomponen y se forman otros


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(secundarios). Los procesos de disolución pueden remover el material del cuerpo de la

roca, haciéndolo poroso. La descomposición de las rocas que contienen hierro produce

minerales secundarios de color rojo, amarillo o café, cuya presencia en una roca indica

su estado de intemperismo. Las rocas intemperizadas tienen menor resistencia

mecánica que las nuevas. Los últimos 10m de roca del terreno, presentan normalmente

diversos estados de intemperismo, disminuyendo en intensidad hacia abajo,

generalmente, pero no siempre. Puede haber nódulos de roca altamente intemperizada,

circundada por roca ligeramente intemperizada. Las masas de granito caolinizado a

menudo presentan esta estructura irregular de intemperismo. Alteración es el término

que se utiliza para describir cambios mineralógicos definitivos causados por el

intemperismo, por ejemplo: la transformación del feldespato en minerales arcillosos

como la caolinita, etc. Al estudiar las rocas en secciones delgadas con ayuda del

microscopio revela las primeras etapas de descomposición mineralógica que no se

observan en los fragmentos. El estudiante debe notar la importante relación entre la

descomposición mineral y la resistencia de la roca.

Resistencia

Es importante distinguir entre la resistencia de un fragmento y la de la masa total de la

roca, la cual está determinada principalmente por la frecuencia y orientación de las

discontinuidades. La resistencia se mide mediante pruebas in situ y de laboratorio. Las

pruebas comunes son: resistencia a la compresión no confinada, de carga de punto,

Schmidt de rebote y del cono dentado. Nótese que la orientación de los minerales hace

que varíe la resistencia con la dirección de la medición, por lo que la roca se describe

como anisotrópica. Las rocas con grano bien definido, como las vetas de la madera, se

pueden romper con mayor facilidad a lo largo de los granos minerales que

transversalmente a los mismos. Esta propiedad se llama clivaje cuando los minerales

orientados son cristales de mica y clorita de forma plana. La resistencia al cortante de

la muestras se puede encontrar introduciendo estas por medios mecánicos en una caja

estándar para medir el cortante que se emplea para pruebas de suelos. También se

puede medir la resistencia al esfuerzo cortante a lo largo de planos de discontinuidades.

La dureza de la roca, no debe confundirse con la escala de dureza de Mohs (1 a 10) que

se emplea en la descripción de minerales. En algunas rocas con dureza superficial

elevada (por ejemplo, la obsidiana o vidrio natural) no se puede hacer ranuras, pero


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pueden ser muy frágiles y astillarse cuando se les golpea con un martillo de geólogo

debido a que su resistencia al impacto es baja.

Indices que pueden ser determinados mediante pruebas que requieren poca o nula

preparación de la muestra.-

Dureza.-

Se mide por el grado de rebote de un martillo de acero en una superficie preparada de

roca. La prueba Schmidt de rebote de martillo da una cifra de rebote que se puede

correlacionar con la resistencia a la compresión uniaxial cuando se toma en cuenta la

densidad en seco.

Durabilidad.-

La prueba de duración mide la resistencia de la roca al debilitamiento y desintegración

cuando se sumerge en agua.

Porosidad.-

Esta se define como el porcentaje de espacios vacios de una roca: (volumen de

espacio/volumen total) X 100

Vvn = --------- X 100

Vt

Relación de poros.-

Se define como la relación (volumen de los poros/volumen de sólidos) X 100

Vve = -------

Vs

Densidad.-

La densidad del material rocoso se define como la masa por unidad de volumen.

Depende de la densidad relativa, también llamado peso específico relativo, de los

diferentes constituyentes minerales de la roca o del suelo. El material no consolidado

como arena. Limo, arcilla, etc., consiste principalmente de cuarzo (P.e. rel. 2.65),

arcilla (aproximadamente 2.70), mica (2.80 a 3.20) y óxidos o hidróxidos de hierro

(3.60 a 4.0), así como de los poros del material, llenos con aire, agua o ambos. La

consideración de estos factores conduce a cuatro diferentes especificaciones de

densidad.


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1. La densidad del material mineral sólido, se mide por unidad de volumen.

2. Densidad en seco. Los poros de la masa de los sólidos están ocupados

sólo por aire, por unidad de volumen.

3. Densidad de saturación. La masa del material con los poros llenos de

agua, por unidad de volumen.

4. Densidad volumétrica. Esta es la masa por unidad de volumen para el

caso general, cuando los poros están llenos parcialmente con aire y

parcialmente con agua. Para esta especificación, el contenido de

humedad (agua) de la muestra también se debe medir y registrar.

Una prueba diferente se utiliza para grava y arena, material granular que puede ser

compactado para obtener una densidad

PROPIEDADES DE LAS ROCAS: ABRASIVIDAD Y DUREZA

Dureza.-

La dureza es un concepto del comportamiento de un material antes que una propiedad

fundamental. Como tal, la medida cuantitativa de la dureza depende del tipo de ensayo;

para rocas y minerales los más usados son: ensayos de indentación, ensayos dinámicos

o de rebote y ensayos de raya

Ensayos dinámicos o de rebote.-

Estos ensayos emplean un indentador (diente) móvil que golpea el espécimen.

Cualquier plástico o material que exhiba un comportamiento cedente producido por el

impacto, reducirá la energía elástica disponible con la que rebotara el diente. La altura

de rebote se toma como una medida de la dureza del espécimen.

El escleroscopio es un equipo para ensayos en el laboratorio que determina la dureza

mediante la caída de un pequeño indentador en forma de punta de diamante sobre el

espécimen y la medida de su altura de rebote. Debido al pequeño tamaño de la punta del

indentador y la naturaleza heterogénea de la mayoría de las rocas, es necesario realizar

un gran número de ensayos de rebote a fin de obtener un promedio para un material

particular

Método sugerido para la determinación de la dureza de rebote a partir del

martillo SCHMIDT.-


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Este método recomienda el uso del martillo de impacto Schmidt para la determinación

de la dureza de las rocas; es de uso limitado en rocas muy duras o muy blandas

Equipo

El equipo consiste de:

El martillo Schmidt, el cual determina la dureza de rebote del material ensayado y que

consiste esencialmente de un embolo, un resorte de una determinada rigidez y un

pistón. El embolo se presiona hacia el interior del martillo al ejercer un empuje contra

un espécimen de roca. La energía se almacena en el resorte el cual libera

automáticamente a un nivel determinado e impacta el pistón contra el embolo. La

altura de rebote del pistón se lee sobre una escala y se toma como la medida de la

dureza. El equipo es portátil y puede utilizarse tanto en el laboratorio como en el

campo. Existen modelos del martillo Schmidt para diferentes niveles de energía de

impacto. El martillo tipo L, que tiene una energía de impacto de 0.74 Nm es el mas

común.

Una base de acero de un peso mínimo de 20 Kg, a la cual deben estar fijamente

sujetados los especimenes. Los núcleos deben ensayarse en una cuña de acero con una

muesca maquinada semicilíndrica del mismo radio de núcleo, o en un bloque de acero

en V.

Procedimiento

Calibrar el martillo antes de cada secuencia de ensayos, utilizando el yunque de

calibración suministrado por el fabricante. Debe obtenerse un promedio de 10 lecturas

sobre el yunque.

Utilizar, cuando sea posible, especimenes más grandes de roca para los ensayos de

dureza con el martillo Schmidt. El martillo tipo L debe utilizarse sobre núcleos NX o

mayores, o sobre especimenes en bloque que tengan lados de 6 cm de longitud, como

mínimo. Los espécimen obtenidos para ensayos de laboratorio deben ser representativos

de la roca a estudiar.

Para esta prueba, la superficie de ensayo de todos los especimenes, tanto en campo

como en el laboratorio, debe ser plana y estar pulida sobre el área cubierta por el

émbolo. Esta área, y el material rocoso bajo ella hasta una profundidad de 6 cm, deben

estar libres de grietas o de cualquier discontinuidad localizada en la masa de roca.

Si se ensayan en el laboratorio o en el campo, pequeños especimenes individuales de

roca, estos deben estar fijamente sujetos a una base rígida para asegurar adecuadamente


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el espécimen contra vibración y movimiento durante el ensayo. La base debe estar

colocada sobre una superficie plana de tal forma que suministre un soporte firme.

Como el valor de la dureza es afectado por la orientación del martillo, se recomienda

que este se utilice en una de las siguientes tres posiciones: verticalmente hacia arriba,

verticalmente hacia abajo u horizontalmente, con el eje del martillo en una posición

deseada. Cuando el uso de una de las tres orientaciones no sea posible (por ejemplo

para el caso de ensayos in-situ en un túnel circular), el ensayo debe realizarse posición

vertical u horizontal utilizando las curvas de corrección suministradas por el fabricante.

La orientación del martillo para el ensayo y cualquier corrección aplicada a las

orientaciones no vertical o no horizontal, deben registrarse y reportarse en los

resultados. Realizar como mínimo 20 ensayos individuales sobre cualquier espécimen

de roca. Los puntos de ensayo deben separase, como mínimo, el diámetro del embolo.

Cualquier ensayo que cause fractura o cualquier otra falla visible, obligara a que dicho

ensayo y el espécimen sean rechazados. Los errores en la preparación de los

especimenes y la técnica de ensayo, tienden a producir bajos valores de dureza.

Método sugerido para la determinación de la dureza al Escleroscopio Shore

Objetivo.-

Se sugiere este método de laboratorio para la determinación de la dureza de los

minerales en un espécimen de roca, utilizando el escleroscopio de Shore, y para la

verificación de otros instrumentos de dureza que utilizan el principio del escleroscopio.

La dureza de la roca puede obtenerse como un promedio de las lecturas efectuadas al

azar sobre granos individuales de minerales.

Equipo

El instrumento utilizado para la determinación del número de dureza con el

escleroscopio, se suministra en dos modelos designados como modelo C y modelo D.

Se recomienda el modelo C-2 para utilizarlo en rocas. El escleroscopio C-2 consiste de

un cilindro hueco dispuesto verticalmente que contiene un ánima de precisión de tubo

de vidrio. Incluye igualmente una escala graduada de 0 a 140, visible a través de un

vidrio curvo. Una cabeza que actúa neumaticamente y que se encuentra fijada en la

parte superior del cilindro, se opera manualmente mediante un bulbo de caucho y un


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tubo. Un martillo que se deja caer desde una altura especifica, rebota dentro del tubo de

vidrio. El martillo para el modelo C-2 tiene las siguientes dimensiones:

Diámetro: 5.94 mm

Masa: 2300 ± 0.50g

Longitud total: 20.70 a 21.30 mm

Distancia de caída: 251.20+0.13 mm - 0.38 mm: 250.95 mm

El diamante debe tener una forma tal que permita una lectura correcta sobre las barras

de referencia de dureza conocida. En perfil, el diamante es convexo, con un radio

terminado en una superficie plana de golpeo. Esta superficie es aproximadamente

circular y su diámetro va de 0.1 a 0.4 mm, dependiendo de la dureza y otras

características físicas del diamante

CARACTERISTICAS DEL MACIZO ROCOSO

Fundamentación.-

La cuantificación de las características estructurales y geomecánicas de las rocas, tienen

una justificación técnica y económica para: el planeamiento y diseño, selección de

equipos, diseño de la perforación, voladura y sostenimiento (Si se trata de una

excavación subterránea).

La implementación de un sistema de información geomecánica en las diferentes

actividades; para su aplicación en el diseño de un proyecto de ingeniería, comprenderá

realizar los siguientes estudios:

Caracterización del macizo rocoso, a través de: Levantamiento litológico –

estructural.

Caracterización del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus

componentes; a través de:

o Ensayos de laboratorio: Determinación de Propiedades Físicas y

Propiedades Mecánicas de la roca.

o Ensayos In-situ.

o Índice de la calidad de la roca: RQD.

o Clasificación geomecánica del macizo rocoso.

o Zoneamiento de la masa rocosa.

CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO

Levantamiento Litológico – Estructural.-


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Consiste en registrar información Litológica-estructural de la masa rocosa, este trabajo

debe ser ejecutado; mediante las observaciones de campo, utilizando normas sugeridas

por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas - ISRM (Society International For

Rock Mechanic´s), en las diferentes trabajos de investigación, desarrollo y preparación

de la estructura rocosa, para soportar diferentes cargas, de las obras que se emplazara

sobre ella.

La información entre otras, estará constituidos por litología, meteorización,

alteraciones, presencia de agua, tipo, forma de superficie de las discontinuidades,

espaciado, continuidad y frecuencia de las diaclasas, y la orientación y rumbo de las

estructuras y/o discontinuidades. En complemento a la información litológica

estructural es necesario realizar estudios petromineralógicos de las rocas de la zona.

CARACTERÍSTICAS DEL COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA MASA

ROCOSA Y SUS COMPONENTES

Ensayos de Laboratorio.-

Comprenderá determinar las propiedades físicas y mecánicas de los diferentes

materiales rocosos, incluyendo rocas de la diversidad de formaciones geológicas. Los

ensayos deben realizarse en el laboratorio de Mecánica de Rocas, utilizando normas

sugeridas por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas - ISRM (Society

International For Rock Mechanic´s), a partir de muestras de roca, técnicamente

extraídos y transportados.

Estos deben ser sometidos a los siguientes ensayos :

Propiedades Físicas:

Densidad, Porosidad Aparente, Peso Especifico Aparente, Absorción

en peso.

Propiedades Mecánicas:

Ensayo de Compresión Uniaxial.

Ensayo de Carga Puntual.

Ensayo de Corte Directo.

Ensayo para la determinación de Constantes Elásticas.

Ensayo de Compresión Triaxial.

Ensayo de Tracción Indirecta – Brasilero.


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Los resultados serán ploteados en un plano, para efectuar los procesos constructivos,

subterráneas y superficiales. de las características estructurares, de una determinada

obra.

Ensayos In –Situ

En los ensayos in-situ, se debe implementar un sistema de control instrumental, con el

objetivo de determinar la calidad del macizo rocoso y poder garantizar la estabilidad de

las obras, tanto subterráneas y/o superficiales.

Es importante considerar el zoneamiento, con la data básica, se determinará los

dominios estructurales, es decir la zona de similar comportamiento geomecánico el

mismo que debe estar representado en los planos geotécnicos..

La caracterización del macizo rocoso es una información básica para el diseño del

proyecto de ingeniería, esto implica que en todo proyecto de excavaciones subterráneas

habrá que invertir recurso económico como trabajo y tiempo suficiente para la

recolección e investigación de campo. De no ser así podría presentarse problemas

inesperados después en la ejecución de la obra. En este sentido conviene aprovechar la

mayor información disponible a partir de la ejecución de trabajos en las fases de una

investigación geotecnia del macizo rocoso.

CARACTERISTICAS GEOMECANICAS DE LAS ROCAS.-

Una etapa fundamental de cualquier proyecto de ingeniería civil, emplazadas en

estructuras rocosas, considera llevar a cabo la caracterización geológico-geomecánica

del macizo rocoso, la que debe tomar en cuenta las características litológicas, tipos y

distribución de la mineralización, tipos e intensidades de alteración, tipos y distribución

de las estructuras geológicas presentes y las condiciones geomecánicas y ambientales

(agua y esfuerzos) del macizo rocoso en estudio. En base a la información disponible en

la faena y/o en la adquisición de información mediante mapeos geológico-estructurales

en el macizo rocoso expuesto y/o en testigos de sondajes, se lleva a cabo la zonificación

de la o las áreas en estudio, determinando unidades geológicas-geomecánicas de

isocalidades y patrones estructurales distintivos.

Las clasificaciones geomecánicas tienen por objeto caracterizar un determinado macizo

rocoso en función de una serie de parámetros a los que se les asigna un cierto valor. Por

medio de la clasificación se llega a calcular un índice característico de la roca, que


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permite describir numéricamente la calidad de la misma. Es una herramienta muy útil

en el diseño y construcción de obras subterráneas, pero debe ser usada con cuidado para

su correcta aplicación, pues exige conocimientos y experiencia por parte de quien la

utiliza.

Las clasificaciones pueden ser usadas en la etapa de Proyecto y también durante la

Obra. En la etapa de Proyecto, permiten estimar el sostenimiento necesario en base a

cada sistema de clasificación, mientras que durante la Obra, permiten evaluar la calidad

del terreno que se va atravesando conforme avanza la excavación del túnel y aplicar el

sostenimiento correcto en cada caso

CLASIFICACIÓN SEGÚN BARTON.-

Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones

subterráneas, el Norgerian Geotechnical Institute (N.G.I.), propuso un índice para

determinar la calidad del macizo rocoso en túneles y taludes.

El valor numérico de éste índice Q se define por:

Q = ( RQD / JN ) ( JR / JA ) ( Jw / SRF )

Esta clasificación utiliza seis parámetros para definir la clase de macizo:

- RQD, índice de calidad de la roca.

- Jn, índice del número de familias de fracturas

- Jr, índice de rugosidades en las fracturas

- Ja, índice de alteración de las paredes de las fracturas

- Jw, índice del caudal afluente

- SRF, índice del estado de tensión del macizo

Para explicar como llegaron a la ecuación para determinar el índice Q, los autores

ofrecen los siguientes comentarios:


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El primer cociente (RQD/Jn), que representa la estructura del macizo es una medida

rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores extremos

(100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente en

unidades de centímetros, los tamaños de “partículas” de 200 a 0.5 cm. se puede apreciar

como aproximaciones gruesas pero bastante realistas. Probablemente los bloques más

grandes tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de la mitad.

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. Este cociente se inclina a

favor de juntas rugosas e inalteradas que se encuentran en contacto directo se puede

pensar que estas superficies están cerca de la resistencia optima, que tenderán a dilatarse

fuertemente cuando estén sometidas a esfuerzos cortantes y por lo tanto serán muy

favorables a la estabilidad de una estructura rocosa. Cuando las fisuras tienen

recubrimientos y rellenos arcillosos delgados se reduce notablemente su resistencia, sin

embargo, el contacto de las paredes después de un ligero desplazamiento por el esfuerzo

cortante puede ser muy importante y salvar la excavación de un colapso. Donde no haya

contacto de paredes, la situación para la estabilidad de un túnel se representa de manera

muy desfavorable.

El tercer cociente (Jw / SRF), consiste en dos parámetros de fuerzas, SRF es un valor

de:

1) La carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas

y de roca empacada en arcillas;

2) Los esfuerzos en una roca competente, y

3) Las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes, se puede considerar

como un parámetro total de esfuerzos.

En cuanto al parámetro Jw se trata de una medición de la presión del agua que tiene un

efecto negativo en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisuras debido a la reducción

en el esfuerzo efectivo normal. El agua puede causar además, un ablandamiento de las

arcillas e incluso posiblemente su lavado.

VARIACION DE LOS PARAMETROS Q (Según: BARTON. LIEN y LUNDEN)


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CLASIFICACIÓN SEGÚN BIENIAWSKI;

Es una clasificación que a sido utilizada en África del Sur y fue desarrollada

principalmente a partir de excavaciones subterráneas mineras. La evaluación de calidad

de macizos rocosos.

Rock Mass Ratting (RMR) es realizada mediante la atribución de valores a los 5

parámetros que intervienen:

- Resistencia a la compresión a la roca alterada, Bieniawski emplea la

clasificación de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca que

proponen, Deere y Millar, como alternativa se podrá utilizar la

“Clasificación de carga de punta”, para cualquier tipo de roca, excepto la

muy frágil.

- RQD, índice de calidad de la roca según Deere y Miller.

- Espaciamiento de las discontinuidades, es decir de las fallas, planos de

estratificación y otros planos de debilidad.

- Condiciones físicas y geométricas de las discontinuidades, este parámetro

toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la

rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas), y la

presencia de relleno en las discontinuidades

- Presencia de agua subterránea, se intenta medir la influencia del flujo de las

aguas subterráneas sobre la estabilidad de las excavaciones en función del

caudal que penetra en la excavación, y de la relación entre la presión del


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agua en las discontinuidades y el esfuerzo principal. Bieniawski reconoció

que cada parámetro no contribuye necesariamente de igual manera al

comportamiento del macizo. Por ejemplo un RQD de 90 y una resistencia a

la compresión uniaxial de 2000 Kg/cm2 parecerían indicar una roca de

calidad excelente, pero una infiltración grande en esa misma roca puede

cambiar radicalmente esta opinión.

VALORIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS RMR (según Deere y Miller).

COMPARACION DE AMBOS METODOS.

La clasificación del macizo rocoso según Bieniawski y Barton, son de un interés muy

especial, ya que incluyen un número suficiente de datos para poder evaluar

correctamente todos los factores que tienen influencia en la estabilidad de una

excavación tanto en túnel como en corte de taludes en roca. Bieniaswki da mas

importancia a la orientación y a la inclinación de los accidentes estructurales de la roca

y no da ninguna a los esfuerzos en la roca. Barton no incluye en factor de la orientación

de las fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más

desfavorables al evaluar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración, ambos

representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso.


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Estos dos sistemas señalan que la orientación e inclinación de las estructuras son de

menos importancia y que la diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para

los casos prácticos, esto se puede aceptar para la mayoría de los casos que se encuentran

en el campo.

Existen algunos materiales como la pizarra que tiene características estructurales tan

importantes que tienden a dominar el comportamiento de los macizos. En otros casos,

grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan problemas de

inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación

descritos serán quizás no adecuados y se necesitaran consideraciones especiales para la

relación entre la geometría del macizo y la excavación.

Cuando de trata de rocas de muy mala calidad que implican rocas comprimidas,

expansivas ó grandes flujos de agua, se comprobó que la clasificación de Bieniaswki es

poco aplicable, esto se entiende ya que se ideó originalmente para túneles de poca

profundidad y taludes en roca dura fracturada. Por tanto, en este tipo de rocas

extremadamente malas se recurre al sistema de Barton.

La relación que existe entre ambos métodos, está expresado como:

RMR = 9 ln Q + 44

SOSTENIMIENTO DEL TUNEL SEGUN BARTON EN UN MACIZO ROCOSO.

En función al tipo de roca, y la dimensión del túnel, Barton presenta un método

“empírico” para estimar los soportes en un túnel, que varía desde anclajes ocasionales,

hormigón proyectado con y sin malla metálica hasta hormigón moldeado con acero de

refuerzo, para este fin utilizamos el siguiente ábaco:


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ALTURA DE CARGA.

Método de Barton.

Para el calculo de la carga actuante sobre el túnel si tiene las siguientes

consideraciones:

Valor del índice Q (varía entre 0.001 a 1000)

Diámetro equivalente de la excavación;

De = luz libre (ancho o alto del túnel) / ESR

donde:

ESR está valorado para diferentes tipos de excavación:

- Excavación temporal para minería ESR = 3 a 5

- Excavación minera permanente, túneles de aducción de agua

(excepto túnel a presión), túnel piloto ESR = 1.6

- Túneles menores para camino o ferrocarril, túnel de acceso ESR = 1.3

- Central hidroeléctrica, túneles importantes para carretera o ferrocarril

ESR=1.0

- Central nuclear subterránea, estación de ferrocarril, fábricas ESR = 0.8

Longitud de los clavos:

L = (2 + 0.15 b) / ESR (m)

donde: b es el ancho de la excavación (m)

Longitud máxima sin soporte:

CLARO = 2 ESR Q0.4 (m)

5º Carga de roca en el techo:

PV = (2/3) JN1/2 Q-1/3 JR-1 (kg/cm2)


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19


Método de Bieniawski.-

Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel, recomienda usar la siguiente fórmula:

Altura de la carga de roca en el techo:

Hp = ((100 - RMR) / 100) b

Carga equivalente sobre el techo:

PV = Hp g

donde:

b = ancho del túnel (m)

g = peso específico de la roca (ton/m3)

PH = 0 (para RMR > 60)

PH = HP g / 2 (para RMR<50)


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manual - mecanica de rocas

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