Mtodos de anlisis del macizo rocoso

Mtodos de anlisis del macizo rocoso

Las propiedades de las distintas litologas presentes en Mantos Blancos han sido evaluadas usando el criterio de Hoek y Brown. En el presente informe, se presentar las propiedades asignadas de acuerdo a la reunin correspondiente al Geotechnical Review Board del ao 2006.

Los mtodos de calificacin geotcnica usados son:

1. Rock Mass Rating (Bieniauski).

2. Geological Strength IndexComo se explicar mas adelante, el GSI es un dato de entrada necesario para realizar la evaluacin del macizo rocoso segn el criterio de HOek y Brown. Los ndices de calificacin geotcnica tienen como finalidad el escalamiento de las propiedades del macizo rocoso. Mediante ensayos de laboratorio, tales como el de compresin uniaxial, triaxial, etc, se puede conocer la resistencia de la roca intacta, pero es necesario conocer la resistencia de la roca en la condicin real en que se encuentra. Luego, el trmino escalar se refiere a pasar de propiedades de una muestra pequea del macizo rocoso (una probeta) a propiedades del macizo en terreno. Generalmente estos ndices se basan en los siguientes parmetros para efectuar su evaluacin (aunque el ndice GSI solo los dos ltimos): 1. Resistencia de los bloques que conforman el macizo rocoso. Esta corresponde a la resistencia de la roca intacta, no la resistencia del macizo rocoso.2. La blocosidad del macizo rocoso. Esta es definida de manera indirecta mediante variables asociadas al grado de fracturamiento y espaciamiento de las estructuras del macizo.

3. La condicin de las discontinuidades que definen los bloques y la condicin de contacto entre stos.

El GSI no considera la resistencia de la roca intacta, debido a que este ndice fue desarrollado con el fin de escalar la resistencia del macizo como parmetro de entrada para el mtodo de Hoek y Brown. Otro de los parmetros de entrada del criterio de Hoek y Brown, es la resistencia a la compresin uniaxial, por lo que incluirlo en el GSI sera contarlo dos veces.Rock Mass Rating

El mtodo de clasificacin RMR fue desarrollado por Bieniauski con el fin de tener un valor para identificar un macizo rocoso durante la construccin de tneles. Es una suma de puntajes derivados de varios parmetros que deben evaluarse del macizo rocoso:

RMR = P(UCS) + P(RQD) + P(s) + P(JC) + P(WC)

Cada uno de estos trminos corresponde al puntaje asociado al parmetro que se encuentra dentro del parntesis, los que se estiman segn las tablas que se muestran a continuacin:

1. P(UCS): El puntaje asociado a la resistencia a la compresin uniaxial (UCS) y al valor de PLS (Point Load Test, ensayo de carga puntual) se calcula como se indica en la tabla 1:

UCS (MPa)PLS (MPa)PuntajeComentarios

< 1En este rango no se recomienda el uso de los ensayos de carga puntual0Resistencia muy baja

1 a 51

5 a 252

25 a 501 a 24Resistencia baja

50 a 1002 a 47Resistencia moderada

100 a 2504 a 1012Resistencia Alta

> 250> 1015Resistencia Muy Alta

2. P (RQD): El puntaje asociado al ndice RQD se calcula segn lo indicado en la tabla 2:Calidad del MacizoRQD (%)Puntaje

Muy malo< 253

Malo25 a 508

Regular50 a 7513

Bueno75 a 9017

Excelente90 a 10020

El ndice RQD se calcula a partir de los testigos obtenidos de sondajes de diamantina de acuerdo a la figura xx:

En este caso el resultado sera:

Como se ve en la figura xx es muy importante diferenciar las fracturas naturales de la roca de las causadas por el proceso de perforacin. En el momento en que se ha perforado un testigo completo, el operador hace que la maquina de un giro rpido y repentino para partir la muestra en dos y poder retirarla. Este tipo de fracturas, identificables debido a la limpieza de sus caras, no deben ser consideradas durante el clculo del RQD.3. P(s): El puntaje asociado al espaciamiento entre las estructuras (s) se calcula basndose en la tabla xx:

Espaciamientos (mm)Puntaje

Muy junto a extremadamente junto< 605

Junto60 a 2008

Moderado200 a 60010

Separado600 a 200015

Muy separado> 200020

4. P(JC): El puntaje asociado a la coedicin de las estructuras se calcula como se indica en la tabla xx o si se quiere mas detalle segn la tabla xx.:

Condicin de las estructurasPuntaje

Estructuras continuas.

Estructuras abiertas (apertura > 5 mm) o con rellenos blandos de salbanda arcillosa (espesor > 5 mm)0

Estructuras continuas.

Estructuras pulidas, o abiertas (apertura de 1 a 5 mm) o con rellenos blandos de salbanda arcillosa (espesor de 1 a 5 mm)10

Estructuras algo rugosas.

Roca de caja muy intemperizada o alterada.

Estructuras abiertas (apertura < 1 mm) o con rellenos (espesor < 1mm)20

Estructuras algo rugosas.

Roca de caja algo intemperizada o alterada.

Estructuras abiertas (apertura < 1 mm) o con rellenos (espesor < 1 mm).25

Estructuras muy rugosas.

Estructuras discontinuas.

Roca de caja fresca o sana.

Estructuras cerradas o selladas.30

Parmetro de la estructuraCondicin o caractersticas / Puntaje

Persistencia o extensin (m)< 11 a 33 a 1010 a 20> 20

64210

Apertura o espesor (mm)0< 0.10.1 a 11 a 5>5

65410

RugosidadMuy rugosaRugosaAlgo rugosaLisaPulida

65310

Material de rellenoNingunoDuro < 5 mmDuro 5 mmBlando < 5 mmBlando 5 mm

64220

Intemperizacin o alteracinFrescaAlgo alteradaAlteracin moderadaMuy alteradaDescompuesta

65310

5. P(WC): el puntaje asociado a la condicin de aguas dentro del macizo se calcula segn la siguiente tabla:

DescripcinQw (lt/min)

Puntaje

Completamente seca0015

Hmeda< 10< 0.110

Mojada10 a 250.1 a 0.27

Goteos25 a 1250.2 a 0.54

Infiltraciones de agua> 125> 0.50

Donde:

Qw: flujo que se infiltra en un tramo de tnel de 10 m de longitud.

pw: es la presin del agua.

Sl: esfuerzo principal mayorLa suma de estos puntajes entrega el ndice RMR in situ del macizo rocoso. Segn este valor se califica el macizo segn el siguiente criterio: Muy mala (Clase V, 0 RMR 20)

Mala (Clase IV, 20 RMR 40)

Regular (Clase III, 40 RMR 60)

Buena (Clase II, 60 RMR 80)

Muy buena (Clase I, 80 RMR 100)

Este valor in situ del RMR, se debe ajustar con el fin de considerar el efecto de la orientacin de las estructuras, segn se indica a continuacin:RMR = RMRin situ RMR

El valor de RMR, se calcula segn se indica en la tabla xx:

AplicacinOrientacin de las Estructuras (Rumbo y Manteo)

Muy FavorableFavorableRegularDesfavorableMuy Desfavorable

Minera Subterrnea0251012

Tneles

Cimentaciones0271525

Taludes05255060

Minera a Rajo Abierto

Se debe tener presente las siguientes limitaciones de este ndice:

1. Debido a que las tablas han cambiado varias veces desde que fueron introducidas es imprescindible indicar con que versin del mtodo se trabaj.

2. Generalmente los testigos usados para evaluar este ndice son los mas competentes, por lo que el resultado puede no representar necesariamente la competencia real del macizo.

3. Debido a que el ndice RMR esta basado en parte en el ndice RQD, se pueden presentar problemas de inexactitud como consecuencia de una mala evaluacin de este ltimo.

4. Los puntajes asociados al espaciamiento entre estructura considera que al menos existen 3 familias de estructuras. Como consecuencia, si se evala un macizo con dos familias de estructuras, el ndice RMR resulta conservador.

5. Segn Hoek, el ndice RMR no funciona bien para macizos de muy mala calidad geotcnica (RMR > 25).Geological Strength Index (GSI)

Para poder calcular la resistencia de un macizo rocoso fracturado, se requiere conocer tanto las propiedades de la roca intacta como la libertad que tiene el arreglo de bloques que lo componen para desplazarse y girar bajo diferentes solicitaciones.

La roca intacta corresponde a los trozos de roca que se ubican entre las estructuras presentes en el macizo rocoso. Normalmente, las propiedades de la roca intacta se determinan mediante ensayos de laboratorio. Se denomina macizo rocoso al conjunto formado por la roca intacta y las estructuras.

Esta libertad esta controlada por la forma geomtrica de los pedazos de roca intacta y por la condicin de las superficies de contacto entre ellas. Un macizo rocoso compuesto por trozos de roca angulares, con superficies de contacto rugosas y limpias ser mas resistente que uno compuesto por pedazos redondeados rodeados por material alterado.

Uno de los principales componentes del criterio de Hoek y Brown es la reduccin de las constantes (ci y mi, desde sus estimaciones a partir de ensayos de laboratorio a valores apropiados para el macizo rocoso real. Para ello, Hoek, Kaiser y Bawden introdujeron en 1995 el ndice GSI, el que provee un sistema para la estimacin de la reduccin de la resistencia del macizo rocoso bajo diversas condiciones geolgicas. (EFECTO DE ESCALA EN LA EVALUACION DEL MACIZO ROCOSO)El criterio de Hoek y Brown asume que el macizo rocoso se comporta de manera isotrpica, es decir, que no hay direcciones preferenciales de falla. Debido a esto, este criterio de falla no debiese ser usado en macizos blocosos (falta explicacin!!), ya que en estos casos el comportamiento ser predominantemente anisotrpico. En estos casos las fallas planares y por cua sern predominantes, producindose en los planos que se generan entre las rocas, en vez de en la roca intacta. En estos casos el GSI no es aplicable.

El GSI se determina a partir de la combinacin de dos parmetros fundamentales:

1. RMS (Rock Mass Strength): corresponde a la estructura del macizo rocoso, definida segn su blocosidad y grado de trabazn.

2. JC (Joint Condition): corresponde a la condicin de las estructuras presentes en el macizo rocoso.

Segn estos parmetros se ingresa en la siguiente tabla para obtener un rango de GSI que podra ajustarse al macizo rocoso analizado.

Segn la clasificacin GSI se puede definir 5 clases de macizos rocosos:

Clase I: Macizos de calidad muy buena (80 < GSI ( 100)

Clase II: Macizos de calidad buena (60 < GSI ( 80)

Clase III: Macizos de calidad regular (40 < GSI ( 60)

Clase IV: Macizos de calidad mala (20 < GSI ( 40)

Clase V: Macizos de calidad muy mala (0 < GSI ( 20)

Se debe tener ciertas consideraciones al usar el ndice GSI, las que se detallan a continuacin:1. No es aplicable en caso de tener macizos con un claro control estructural. Este ndice se desarroll especficamente para evaluar el efecto de escala en el macizo rocoso al aplicar el mtodo de Hoek y Brown en su anlisis. Si el macizo rocoso tiene un gran nmero de estructuras, se puede considerar como isotrpico. Por lo tanto, se debe seguir la siguiente indicacin, que tambin aplica para el mtodo antes mencionado:(Poner grafico de cuando se puede o no aplicar el metodo de Hoek y Brown)(Porque se puede aplicar a la roca de Mantos Blancos????)

(FOTO!!!!)

2. No considera la resistencia en compresin uniaxial de la roca intacta, ya que al evaluar el macizo se incluyen los parmetros que definen el criterio de Hoek y Brown.

3. No considera el espaciamiento entre estructuras ya que este est implcitamente considerado al evaluar la blocosidad del macizo rocoso. Entre mas espaciamiento tengan las estructuras, mas masivo ser el macizo).

4. No considera la condicin de agua, debido a que el criterio de Hoek y Brown se define en trminos de esfuerzos efectivos.

5. Tal como se indica en la tabla xx, el ndice GSI debe definirse como un rango y no como un valor nico.

6. La evaluacin hecha mediante el ndice GSI se basa en observaciones realizadas al mapeo de la roca en la superficie, la que esta afectada por desconfinamiento e interperizacin. Este resultado no es necesariamente vlido en profundidad, debido a que el macizo rocoso estar en condiciones de confinamiento notoriamente superiores y adems no estar afecto a interperizacin.

7. Entre mas meteorizada se encuentre la roca, el ndice se desplazar hacia la derecha en la figura xx. En el caso de que la meteorizacin sea tal que las estructuras tienden a desaparecer, el ndice GSI no es aplicable y el macizo rocoso deber tratarse como un suelo residual.8. En el caso de evaluar macizos rocosos daados por tronadura y/o por desconfinamiento, lo corresponde a la realidad de una mina a rajo abierto, debe tenerse cuidado al realizar las observaciones, ya que para esto existe el parmetro D en el mtodo de Hoek y Brown.

9. En el caso de macizos masivos de roca blanda el ndice GSI no es aplicable.

10. En el caso de roca dura a gran profundidad (mas de 1000 m), la estructura del macizo rocoso suele ser masiva y su comportamiento se asemeja al de la roca intacta, por lo que el ndice GSI se aproxima a 100 y pierde su utilidad de escalar la resistencia del macizo rocoso. En el caso de este tipo de rocas sometidas a grandes esfuerzos de confinamiento, la ruptura de macizo est asociada a una falla frgil de la roca y la propagacin de grietas.Como el mtodo GSI, ya que es puramente basado en la observacin de la roca in-situ, no puede ser aplicado al mapeo de sondajes, para este caso es necesario utilizar otro mtodo, tal como el RMR de Bieniauski. Para ello, Hoek propone los siguientes mtodos para transformar los resultados a valores de GSI:

Si se utiliza tanto la versin de 1976 del ndice RMR (Bieniawski, 1976) como la de 1989, deber suponerse que el macizo rocoso esta completamente seco y no deber efectuarse el ajuste por orientacin de estructuras. El valor del RMR76 y RMR89 se relaciona con el ndice GSI segn los siguiente criterios:

1. RMR76a. Si RMR76 18, luego GSI = RMR76b. Si RMR76 < 18, luego no se puede estimar el valor del GSI, debido a su poca confiabilidad.

2. RMR89a. Si RMR89 23, luego GSI=RMR89-5

b. Si RMR89 < 23, luego no puede estimarse el valor del GSI, debido a supoca confiabilidad.

(Poner resultados de estudio de AKL, obviamente que indicando que la huea no la calcul yo!)Criterio de Hoek y Brown

Hoek y Brown crearon su criterio de falla con el fin de proveer la informacin requerida para el diseo de excavaciones subterrneas en rocas competentes. En 1980, ao que fue publicado el paper que describe este criterio, no exista ningn mtodo adecuado para determinar la resistencia de un macizo rocoso.

La gran contribucin de este criterio fue introducir en el clculo parmetros de observacin geolgica, usando para este propsito, en un principio, la clasificacin Rock Mass Rating de Bieniawski. Este criterio toma como base las propiedades de la roca intacta y luego introduce ciertos factores para reducir estas propiedades tomando en cuenta las caractersticas de las fracturas?(joints) en el macizo rocoso

Las relaciones originalmente planteadas por Hoek para relacionar los esfuerzos principales fueron obtenidas de estudios de fallamiento? frgil en rocas intactas y en modelos de comportamiento de roca fracturada? desarrollados por Brown. El criterio original planteaba que la rotura del macizo rocoso era controlada por la rotacin y traslacin de piezas individuales de roca, separadas por numerosas superficies de falla, asumiendo adems que la rotura de la roca intacta poda despreciarse.

La principal dificultad de este mtodo era que la mayora de los problemas geotcnicos son descritos en trminos de tensiones normales y de cizalle en vez de en trminos de tensiones principales. Adems se deba definir una relacin entre los parmetros m y s del criterio de Hoek y Brown y los parmetros c y del criterio de Mohr-Coulomb. La ecuacin original del criterio de Hoek y Brown era:

donde:

1: esfuerzo mayor en punto de falla

3: esfuerzo menor en punto de falla

ci: esfuerzo de compresin uniaxial de la roca intacta

m y s constantes determinadas para el tipo de roca.

Debido a la falta de alternativas, este mtodo fue rpidamente adoptado y usado en mbitos para los que no haba sido pensado. Para poder suplir las deficiencias que surgieron, se introdujo la definicin de roca no perturbada y perturbada y adems se cre un criterio para dar una resistencia tensional de 0 para el estudio de macizos rocosos de muy baja calidad.

A estos cambios se le sumaron el reemplazo del ndice RMR de Bienawski por el Geological Strength Index para la clasificacin geolgica del macizo rocoso, debido a que el primero no tenia un buen comportamiento en rocas de muy mala calidad, adems de la dificultad para relacionar el RMR con los parmetros m y s. Adicionalmente, la idea de macizos rocosos perturbados y no perturbados fue desechada, dejando la descripcin de este aspecto a cargo del GSI.

Falta comentar ms del desarrollo de este mtodoCriterio de Hoek y Brown generalizado

El criterio de Hoek y Brown generalizado plantea una solucin exacta para calcular el ngulo de friccin interna y la cohesin del macizo rocoso. Se expresa a travs de la siguiente formula:

donde:

El factor mi de tipo de material es reducido segn la siguiente expresin, teniendo en cuenta el GSI de la roca as como el grado de perturbacin:

D es un factor que depende del grado de perturbacin que ha sufrido la roca como consecuencia de tronaduras y de relajacin de esfuerzos debido a la remocin de sobrecarga. El factor D vara desde 0 para roca no perturbada a 1 para roca severamente perturbada. Falta incluir tabla de determinacin de DPara obtener la resistencia a la compresin uniaxial, se supone 3=0 en ecuacin xx, por lo que se obtiene:

y suponiendo 1=3= t, es decir condicin de tensin biaxial, en la ecuacin xx, se obtiene:

(Resistencia a la traccin del macizo rocoso)Segn Balmer, el esfuerzo normal y de corte estn relacionados con los esfuerzos principales de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

donde:

Es importante conocer el mdulo de elasticidad (modulo de Young?) para efectuar un anlisis del macizo rocoso, y para ello Hoek y Brown proponen la siguiente ecuacin:

para ci 100 MPa

para ci 100 MPa

La mayora de los programas geotcnicos necesitan la entrada de informacin en trminos del criterio de falla de Mohr-Coulomb, se debe determinar el ngulo de friccin interna y la cohesin equivalente para cada tipo de roca y rango de esfuerzo. Esto se hace fijando una relacin lineal a la curva generada al resolver la ecuacin xx para un determinado rango de esfuerzos menores. Las ecuaciones son las siguientes:

donde

3max corresponde al lmite superior de la tensin de confinamiento para el que la relacin entre el mtodo de Mohr-Coulomb y el de Hoek y Brown es considerada.

Hoek y Brown plantean que en ocasiones es ms prctico saber la resistencia global de un macizo rocoso, que una descripcin detallada de la propagacin de la falla. Es por esto que plantean un RMS o Rock Mass Strength, que puede ser estimado a partir del criterio de Mohr-Coulomb:

Con c y ( determinado para el rango de tensiones de (t