MECNICA DE ROCAS 1Ing. Arturo Lino Zapana

CLASIFICACIN GEOMECNICA DE LA ROCASistema Q (ndice de calidad tunelera de la roca)Sistema GSI

SISTEMA Q

Desarrollado por Barton, Lien y Lunde (1974) Los parmetros son:

RQD Nmero de familias de juntas Rugosidad de la discontinuidad ms desfavorable Grado de alteracin o relleno en la discontinuidad ms dbil (ms

desfavorable) Presencia de agua (flujo de agua) Estado de tensiones

ndice de calidad de la roca en el sistema Q vara entre 0.001 y 1000 en una escala logartmica

44Qln9RMR +=3

SISTEMA Q

SRFJ

JJ

JRQDQ w

a

r

n

=

donde: RQD ndice de calidad de la roca. Jn - Nmero de familias de juntas (discontinuidades) Jr ndice de rugosidad de las juntas Ja ndice del grado de alteracin de las juntas Jw Factor de reduccin debido a la presencia de agua

en las juntas SRF - Factor de reduccin debido al estado de tensiones

4

SISTEMA Q

Tamao de bloques (RQD/J n ) Resistencia al corte interbloques (J r / J a ) Tensiones activas (J w /SRF)

5

SISTEMA Q

6

SISTEMA Q

7

SISTEMA Q

8

SISTEMA Q

9

SISTEMA Q

10

SISTEMA Q

11

EJEMPLO, SISTEMA Q

El uso de esta tabla es ilustrado en el ejemplo que sigue: Una cmara de chancado de 15 m de ancho para una mina

subterrnea, est para ser excavada en una norita, a una profundidad de 2100 m debajo de la superficie.

La masa rocosa contiene dos sistemas de juntas que controlan la estabilidad. Estas juntas son onduladas, rugosas y no intemperizadas con muy pocas manchas superficiales.

La Tabla 3.6.4 da un nmero de alteracin de juntas de Ja = 1.0 para paredes no alteradas de las juntas y con solo unas manchas superficiales.

La Tabla 3.6.5 muestra que para una excavacin con flujos menores, el factor de reduccin de agua en las juntas Jw = 1.0.

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EJEMPLO, SISTEMA Q

Para una profundidad debajo de la superficie de 2100 m, el esfuerzo por la sobrecarga rocosa ser aproximadamente 57 MPa, y en este caso, el esfuerzo principal mximo 1 = 85 MPa. Desde que la resistencia compresiva uniaxial de la norita es aproximadamente 170 MPa, esto da una relacin de c/1 = 2. La Tabla 3.6.6 muestra que para roca competente con problemas de esfuerzos en la roca, este valor de c/1 podra producir condiciones de severos estallidos de rocas y que el valor de SRF estara entre 10 y 20. Para los clculos se asumir un valor de SRF = 15. Usando estos valores tenemos:

5.4151

13

490

== xxQ

13

CORRELACIN DE Q VS. REQUERIMIENTO DE SOSTENIMIENTO

La calidad del macizo rocoso que se design por la letra Q, se obtiene a partir del producto de los tres cocientes siguientes:

RQD / Jn Representa la estructura del macizo rocoso; es una medida aproximada del tamao de los bloques.

Jr / Ja Representa las caractersticas de friccin de las paredes de una fractura o del material de relleno donde ms probablemente se puede iniciar el fallamiento.

Jw / SRF Es un factor emprico que relaciona los esfuerzos activos del medio rocoso.

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Relacionando el valor del ndice Q a la estabilidad y a losrequerimientos de sostenimiento de excavaciones subterrneas,Barton et.al. (1974) definieron un parmetro adicional al que lodenominaron Dimensin Equivalente De de la excavacin:

De = vano, dimetro o altura de la excavacin (m)

ESR ESR

El valor de ESR est relacionado al uso que se le dar a laexcavacin y al grado de seguridad que esta demande del sistemade sostenimiento instalado para mantener la estabilidad de laexcavacin. Barton et.al. (1974) sugirieron los siguientes valores:

DIMENSIN EQUIVALENTE

15

VALORES DE ESR

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EJEMPLO, SISTEMA Q

La estacin de chancado discutido arriba cae dentro de la categora de una excavacin minera permanente y se asigna una relacin de sostenimiento de la excavacin de ESR = 1.6. De aqu, para un ancho de excavacin de 15 m, la dimensin equivalente De = 15/1.6 = 9.4

La dimensin equivalente De, ploteado contra el valor de Q, es usado para definir un nmero de categoras de sostenimiento en un diagrama publicado en el artculo original de Barton et.al. (1974).

Este diagrama ha sido actualizado por Grimstad y Barton (1993) para reflejar el creciente uso del shotcrete reforzado con fibras de acero en el sostenimiento de excavaciones subterrneas. En la Figura 3.3 se reproduce este diagrama actualizado.

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EJEMPLO, SISTEMA Q

A partir de la Figura 3.3, un valor de De de 9.4 y un valor de Q de 4.5, colocan a esta excavacin de chancado en la categora (4), la cual requiere la colocacin de pernos de roca (espaciados cada 2.3 m) y shotcrete no reforzado de 40 a 50 mm de espesor.

A causa de la moderada a severa condicin de estallidos de roca que son anticipados, podra ser prudente desforzar la roca en las paredes de esta cmara de chancado, mediante voladuras de produccin relativamente severas. para aplicaciones crticas de estas tcnicas es aconsejable buscar el asesoramiento de un especialista en voladura antes de embarcarse en el curso de esta accin.

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EJEMPLO, SISTEMA Q

Lset (1992) sugiri que para rocas con 4 < Q < 30, los daos de la voladura resultar en la creacin de nuevas juntas con una consecuente reduccin local del valor de Q de la roca circundante a la excavacin. l sugiri que este hecho podra ser tomado en cuenta para reducir el valor de RQD en la zona daada por la voladura.

Asumiendo que el valor de RQD para la roca desforzada alrededor de la cmara de chancado cae al 50%, el valor resultante de Q = 2.9. De la Figura 3, este valor de Q, para una dimensin equivalente De = 9.4, coloca a la excavacin justo en la categora (5), la cual requiere de pernos de roca, con espaciamiento aproximado de 2 m, y una capa de 50 mm de shotcrete reforzado con fibras de acero.

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Calidad de la masa rocosa Q =90

mm

Espaciamiento d

e los pernosen

rea shocreteada

Abier

to o

altu

ra en

m

250mm

0.0011

2

5

0.040.01 0.1 0.4

150mm

1.0m

120mm

malaExcepcionalmente

20

10

ESR

50

100

1.2m1.0m

(9) (8) (7)

1.3m1.5m

Extremadamentemala

Muymala

Long

itud

del p

erno

en m

, par

a ESR

=1

10

JnRQD

1

xJa

4Jr

40

xSRFJw

100

2.0m

en areas

sin shotc

rete

Espaciam

iento de l

os perno

s

1.3m

50 mm

1.5m

40 m

m 3.0m

400 1000

1.5

2.4

4.0m

buenaExtrem.

2.3m

(5)(6) (4)

1.7m2.1m

(3) (2)

Mala Regular Buena

2.5m

Muybuena

(1)

3

5

10

buenaExcep.

20

CATEGORAS DE REFORZAMIENTO 5) Shotcrete reforzado con fibras, 50 - 90 mm y pernos6) Shotcrete reforzado con fibras, 90 - 120 mm y pernos5) Shotcrete reforzado con fibras, 120 - 150 mm y pernos5) Shotcrete reforzado con fibras, > 150 mm, con arcos de acero (cerchas) reforzados con shotcrete y pernos9) Revestimiento de concreto armado

1) Sin sostenimiento2) Pernos espordicos3) Pernos sistemticos4) Pernos sistemticos con shotcrete sin refuerzo, de 40 - 100 mm de espesor

Figura 3.3: Categoras de sostenimiento estimadas, basadas en el ndice de calidadtunelera Q (Segn Grimstad y Barton, 1993)

20

SISTEMA Q

21

SISTEMA Q

22

RELACIN ENTRE Q Y RMR

23

RELACIN ENTRE Q Y RMR

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LONGITUD DE PERNOS DE SOSTENIMIENTO

Barton et al. (1980) proporcionaron tambin informacin adicional sobre la longitud de los pernos, abiertos mximos sin sostenimiento y presiones del sostenimiento, para complementar las recomendaciones del sostenimiento publicado en el artculo original de 1974.

La longitud L de los pernos de roca puede ser estimada a partir del ancho de la excavacin B y la Relacin de Sostenimiento de la Excavacin ESR:

ESRBL 15.02 +=

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MXIMO ABIERTO

El mximo abierto sin sostenimiento puede ser estimado a partir de:

Basado en el anlisis de casos registrados, Grimstad y Barton (1993) sugirieron que la relacin entre el valor de Q y la presin del sostenimiento permanente Ptecho es estimada a partir de:

4.0.2)( QESRntosostenimiesinabiertoMximo =

JrQJnProof 3

2 31

=

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USO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE LA MASA ROCOSA

Las dos clasificaciones de la masa rocosa ms ampliamente utilizadas son el RMR de Bieniawski(1976, 1989) y el Q de Barton et.al. (1974). Ambos mtodos involucran parmetros geolgicos, geomtricos y diseo/ingeniera, para llegar a valores cuantitativos de la calidad de la masa rocosa.

Cuando se usa cualquiera de estos mtodos, se pueden adoptar dos aproximaciones:

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USO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE LA MASA ROCOSA

Uno es evaluar la masa rocosa especficamente para los parmetros que estn incluidos en los mtodos de clasificacin.

Otro es caracterizar precisamente la masa rocosa y luego atribuir valoraciones a los parmetros en un tiempo posterior.

Es recomendable el ltimo mtodo desde que este da una completa descripcin de la masa rocosa, la cual puede ser trasladada en sus ndices de clasificacin.

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USO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE LA MASA ROCOSA

Si durante el mapeo, solo se han registrado los valores de las valoraciones, podra ser casi imposible llevar a cabo estudios de verificacin.

En muchos casos es apropiado dar un rango de valores para cada parmetro en una clasificacin de la masa rocosa y para evaluar la significancia del resultado final, como el ejemplo dado en la Figura 4.

En este caso particular, la masa rocosa esta seca y sometida a una condicin de esfuerzos medios, siendo la valoracin respectiva 1.

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USO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE LA MASA ROCOSA

El valor promedio de Q = 9.8 y su rango aproximado es 1.7 < Q < 20. El valor promedio de Q puede ser usado en la seleccin del sistema de sostenimiento, mientras que el rango da una indicacin de los posibles ajustes que sern requeridos para satisfacer las diferentes condiciones encontradas durante la construccin.

Los usuarios de un esquema de clasificacin de la masa rocosa, deben chequear que est siendo usada la ltima versin.

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Figura 4: Histogramas mostrando variaciones en RQD, Jn, Jr y Ja para unaarenisca bajo condicin de esfuerzo medio, reproducido de las notas de campopreparado por el Dr. N. Barton.

Arenisca diaclasada

0.5

12

No.4

8

16

4No. 8

12

1 1.5 2 3 4

No.

16

4

8

12

16

0

10

No. 6

2

4

8

12

20

70

92 4 6 12 15

402010 30 50 60 1009080

Jn

testigos > 10 cmRQD % de

Ja

Jr

sistema de juntas

rugosidad de juntas

alteracin de juntas421 3 6 8

Jw = 1.0 SRF = 1.0

Tpico

Rango aproximado

3.811*

15.1*

950

==Q

207.111*

3.15.1*

968030

=

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GSI GEOLOGICAL STRENGTH INDEX

RMR no poda ser aplicado directamente en el criterio de Hoek-Brown

GSI (Hoek, 1995) Estimar la reduccin de la resistencia del macizo rocoso

en diferentes condicionamientos geolgicos por medio del RMR (Bieniawski, 1989). Considerando el ndice para la presencia de agua igual a 15 (seco) y el ndice de relacin entre la orientacin de las discontinuidades y la orientacin de la excavacin muy favorable (ndice 0)

5RMRGSI 89 =

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GEO

LOG

ICAL STREN

GTH

IND

EX (G

SI)

Escolher o quadro de interseco que melhor se

aproxima das condies gelogicas e estruturais

do macio rochoso. Estim

ar o GSI com

o valorm

dio do ndice do quadro escolhido.

CON

DI

O ESTRU

TURA

LQUALIDADE DAS DESCONTINUIDADES

MUITO BOAMuito rugosa, fresca, sem intemperismo

BOARugosa, levemente intemperisada

FRACALisa, moderadamente intemperisada ou alterada

POBREPlanos de escorregamento, forte alterao com preenchimento compacto ou fragmentos angulososMUITO POBREPlanos de escorregamento, forte alterao comargila ou material fino no compactado

DIM

INU

I A A

QU

ALID

AD

E

BLOCO

S - boa intercalao dosblocos, m

acio rochoso poucoperturbado, form

as aproximada de

cubos, famlias quase ortogonais

MU

ITO FRA

TURA

DO

- fragmentado

macio parcialm

ente perturbado combloco angulosos devido a quatro oum

ais famlias de fraturas

FRATU

RAD

O E PERTU

RBAD

O -

macio dobrado com

blocos de formas

diferentes cortando vrias famlias

de descontinuidades

DESA

GRA

GA

DO

- pouca interaoentre os blocos, m

acio rochoso quebrado com

mistura de fragm

entosarredondados e angulosos

DIMINUI A INTERAO ENTRE OS BLOCOS DE ROCHA

80

70

60

50

40

30

20

10

33

)40/10GSI(cM 10100

E =

)40/10GSI(cDM 101002

R1E

=

MDULO DE DEFORMACIN IN SITU

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ESTIMACIN DEL MDULO DE DEFORMACIN IN SITU

El mdulo de deformacin in situ de la masa rocosa es un parmetro importante en cualquier forma de anlisis numrico y en la interpretacin de las deformaciones monitoreadas alrededor de aberturas subterrneas.

Desde que este parmetro es muy dificultoso y costoso de determinarlo en el campo, muchos intentos se han hecho para desarrollar mtodos de estimacin de su valor, basados sobre todo en las clasificaciones de la masa rocosa.

36

ESTIMACIN DEL MDULO DE DEFORMACIN IN SITU

En la dcada de 1960 se hicieron varios intentos de usar el RQD de Deere para estimar el mdulo de deformacin in situ, pero esta aproximacin es raramente usada hoy en da (Deere y Deere, 1988).

Bieniawski (1978) analiz un nmero de casos histricos y propuso la siguiente relacin para estimar el mdulo de deformacin in situ, Em, a partir de RMR:

1002 = RMREm

37

Prediccin del mdulo de deformacin in situ Em a partir de las clasificaciones de la masa rocosa.

(RMR - 10) / 40

Valoracin geomecnica de la masa rocosa RMR

Em = 10M

dulo

de d

efor

mac

in

in si

tu E

m -

GPa casos histricos:

80

00

10

20

30

40

50

70

60

402010 30 6050 70

Serafn y Pereira (1983)

Em = 2 RMR - 100

Em = 25 Log Q

Bieniawski (1978)

0.0190

Indice de calidad tunelera Q0.04 1.00 4.00 10 40

80 90 100

100 400

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RELACIN ENTRE Em Y RMR

Basado en el anlisis de un nmero de casos histricos, varios de los cuales involucraron cimentaciones de presas donde el mdulo de deformacin fue evaluado mediante retro-anlisis de las deformaciones medidas, Serafim y Pereira (1983) propusieron la siguiente relacin entre Em y RMR:

40)10(

10

=RMR

mE

39

RELACIN ENTRE Em Y Q

Mas recientemente, Barton et al. (1980), Barton et al. (1992) y Grimstad y Barton (1993), han hallado una buena concordancia entre los desplazamientos medidos y predichos a partir de anlisis numricos usando valores del mdulo de deformacin in situ estimados a partir de:

QLogEm 1025=

40

RELACIN ENTRE Em , RMR y Q

Las curvas definidas por las ecuaciones anteriores, junto con las observaciones de casos histricos de Bieniawski (1978) y Serafim y Pereira (1983) estn ploteadas en la Figura anterior. Esta figura sugiere que la ecuacin de Serafim y Pereira proporciona un ajuste razonable para todas las observaciones ploteadas y tiene la ventaja de cubrir un amplio rango de valores de RMR que cualquiera de las otras dos ecuaciones.

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MECNICA DE ROCAS 1

Mecnica de rocas 1Clasificacin geomecnica de la rocaSistema QSistema QSistema QSistema QSistema QSistema QSistema QSistema QSistema QEjemplo, Sistema QEjemplo, Sistema QCorrelacin de Q vs. requerimiento de sostenimientoDimensin equivalenteValores de esrEjemplo, Sistema QEjemplo, Sistema QEjemplo, Sistema QSlide Number 20Sistema QSistema QRelacin entre q y rmrRelacin entre q y rmrLongitud de pernos de sostenimientoMximo abiertoUso de los Sistemas de clasificacin de la masa rocosaUso de los Sistemas de clasificacin de la masa rocosaUso de los Sistemas de clasificacin de la masa rocosaUso de los Sistemas de clasificacin de la masa rocosaSlide Number 31GSI Geological Strength IndexSlide Number 33mdulo de deformacin in situEstimacin del mdulo de deformacin in situEstimacin del mdulo de deformacin in situSlide Number 38Relacin entre em y rmrRelacin entre em y QRelacin entre em , rmr y QMecnica de rocas 1