Universidad Privada del Norte

MECANICA DE ROCAS.Ing. Danny D Valderrama G.

Caracterización y análisis geomecánico de macizos rocosos

El análisis geomecánico envuelve la comprensión de la respuesta mecánica del macizo rocoso para determinar la estabilidad y requerimientos de sostenimiento.

Figura Temas abordados en la caracterización y análisis geomecánico de macizos rocosos

EL MODELO GEOLÓGICO

Representa la distribución espacial de los materiales, estructuras tectónicas, datos geomorfológicos e hidrogeológicos, entre otros, presentes en el área de estudio y su entorno de influencia

Mapeo Geológico de un macizo rocoso

Modelo geológico

EL MODELO GEOMECÁNICO

Representa la caracterización geotécnica e hidrogeológica

de los materiales y su clasificación geomecánica.

Modelo geomecánico

Modelo numérico

EL MODELO GEOTÉCNICO DE COMPORTAMIENTO

Representa la respuesta del terreno durante la construcción

y después de la misma.

DURANTE LA CONSTRUCCION

DESPUES DE LA CONSTRUCCION

RQD(Rock Quality Designation)

• Rock quality designation index (RQD)• Rock Quality Designation index (RQD) fue

desarrollado por Deere (Deere et al 1967) como una herramienta para estimar cuantitativamente la calidad del macizo rocoso a partir de testigos de sondaje.

• RQD es definido como el porcentaje de piezas intactas mayores a 10 cm en el largo total del sondaje. El testigo debe ser al menos de tamaño NW (diámetro 54.7 mm o 2.15 pulgadas) y debe ser perforado con barras de doble tubo.

Cuando no hay testigos disponibles, RQD puede ser estimado del número de

discontinuidades por unidad de volumen:

• RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.), con Jv =

número total de discontinuidades por m 3 (0 < RQD < 100 for 35 > Jv > 4.5).

Rock Mass Classifications

• RQD

• Geomechanics System - Rock Mass Rating

(RMR) by Bieniawski (1984, 1989)

• Q-System - Norwegian Geotechnical Institute

(Barton, et al. 1974)

• Geological Strength Index, GSI (Hoek, et al.,

1995)

Rock Mass Rating (RMR)• RMR basado en cinco parametros:

– Resistencia uniaxial, qu

– RQD– Espaciamiento de discontinuidades– Condición de discontinuidades– Condición de agua subterránea

• RMR = R1+R2+R3+R4+R5

• Ajuste por orientación de discontinuidades relativo a la construcción

Rock CityChattanooga, TN

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 300

Unconfined Compressive Strength, qu (MPa)

RM

R R

ati

ng

R1

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rock Quality Designation, RQD

RM

R R

ati

ng

R2

0

5

10

15

20

25

0.01 0.1 1 10

Joint Spacing (meters)

RM

R R

ati

ng

R3

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6Joint Separation or Gouge Thickness (mm)

RM

R R

ati

ng

R4 Slightly

Rough Weathered

Slickensided Surface or Gouge-Filled

Soft Gouge-Filled

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Joint Water Pressure Ratio, u/1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 10 100 1000

Inflow per 10-m Tunnel Length (Liters/min)

Rough/Unweathered

Rock Mass Rating (RMR)Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989]

Rock Mass Rating (RMR)Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989]0

5

10

15

20

25

0.01 0.1 1 10

Joint Spacing (meters)

RM

R R

ati

ng

R3

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6Joint Separation or Gouge Thickness (mm)

RM

R R

ati

ng

R4 Slightly

Rough Weathered

Slickensided Surface or Gouge-Filled

Soft Gouge-Filled

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Joint Water Pressure Ratio, u/1

RM

R R

ati

ng

R5

u = joint water pressure

1 = major principal stress

Alternate 2 Defi nit ions

f or Parameter R5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 10 100 1000

Inflow per 10-m Tunnel Length (Liters/min)

RM

R R

ati

ng

R5

Alternate 1 Defi nit ions

f or Parameter R5

Dry

Damp

Wet

Dripping

Flowing

ROCK MASS RATING (RMR) also CSIR System 5

Geomechanics System - (Bieniawski, 1984, 1989) RMR = Ri Geomechanics Classification for Rock Masses i = 1 CLASS DESCRIPTION RANGE of RMR

I Very Good Rock 81 to 100 NOTE: Rock Mass Rating is obtained by summing the five index II Good Rock 61 to 80 parameters to obtain an overal rating RMR. Adjustments for dip III Fair Rock 41 to 60 and orientation of discontinuities being favorable or unfavorableIV Poor Rock 21 to 40 for specific cases of tunnels, slopes, & foundations can also beV Very Poor Rock 0 to 20 considered.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

NGI- Q Rating of Rock Masses• Q-Rating basado en 6 parametros:

– RQD– Número de sets de discontinuidades, Jn

– Rugosidad de Discontinuidades, Jr

– Condición de discontinuidades/relleno, Ja

– Condición de agua subterránea, Jw

– Stress Reduction Factor, SRF

• Rating:

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Tucson, AZ

N G I Q - S y s t e m R a t i n g f o r R o c k M a s s e s ( B a r t o n , L i e n , & L u n d e , 1 9 7 4 ) N o r w e g i a n C l a s s i f i c a t i o n f o r R o c k M a s s e s Q - V a l u e Q u a l i t y o f R o c k M a s s < 0 . 0 1 E x c e p t i o n a l l y P o o r 4 . D i s c o n t i n u i t y C o n d i t i o n & I n f i l l i n g = J a

0 . 0 1 t o 0 . 1 E x t r e m e l y P o o r 4 . 1 U n f i l l e d C a s e s 0 . 1 t o 1 V e r y P o o r H e a l e d 0 . 7 5 1 t o 4 P o o r S t a i n e d , n o a l t e r a t i o n 1 4 t o 1 0 F a i r S i l t y o r S a n d y C o a t i n g 3 1 0 t o 4 0 G o o d C l a y c o a t i n g 4 4 0 t o 1 0 0 V e r y G o o d 4 . 2 F i l l e d D i s c o n t i n u i t i e s 1 0 0 t o 4 0 0 E x t r e m e l y G o o d S a n d o r c r u s h e d r o c k i n f i l l 4 < 4 0 0 E x c e p t i o n a l l y G o o d S t i f f c l a y i n f i l l i n g < 5 m m 6

S o f t c l a y i n f i l l < 5 m m t h i c k 8

P A R A M E T E R S F O R T H E Q - R a t i n g o f R o c k M a s s e s S w e l l i n g c l a y < 5 m m 1 2 S t i f f c l a y i n f i l l > 5 m m t h i c k 1 0

1 . R Q D = R o c k Q u a l i t y D e s i g n a t i o n = s u m o f c o r e d p i e c e s S o f t c l a y i n f i l l > 5 m m t h i c k 1 5 > 1 0 0 m m l o n g , d i v i d e d b y t o t a l c o r e r u n l e n g t h S w e l l i n g c l a y > 5 m m 2 0

2 . N u m b e r o f S e t s o f D i s c o n t i n u i t i e s ( j o i n t s e t s ) = J n 5 . W a t e r C o n d i t i o n s M a s s i v e 0 . 5 D r y 1 O n e s e t 2 M e d i u m W a t e r I n f l o w 0 . 6 6 T w o s e t s 4 L a r g e i n f l o w i n u n f i l l e d j o i n t s 0 . 5 T h r e e s e t s 9 L a r g e i n f l o w w i t h f i l l e d j o i n t s F o u r o r m o r e s e t s 1 5 t h a t w a s h o u t 0 . 3 3 C r u s h e d r o c k 2 0 H i g h t r a n s i e n t f l o w 0 . 2 t o 0 . 1

H i g h c o n t i n u o u s f l o w 0 . 1 t o 0 . 0 5

3 . R o u g h n e s s o f D i s c o n t i n u i t i e s * = J r

N o n c o n t i n u o u s j o i n t s 4 6 . S t r e s s R e d u c t i o n F a c t o r * * = S R F R o u g h , w a v y 3 L o o s e r o c k w i t h c l a y i n f i l l 1 0 S m o o t h , w a v y 2 L o o s e r o c k w i t h o p e n j o i n t s 5 R o u g h , p l a n a r 1 . 5 S h a l l o w r o c k w i t h c l a y i n f i l l 2 . 5 S m o o t h , p l a n a r 1 R o c k w i t h u n f i l l e d j o i n t s 1 S l i c k a n d p l a n a r 0 . 5 F i l l e d d i s c o n t i n u i t i e s 1 * * N o t e : A d d i t i o n a l S R F v a l u e s g i v e n* N o t e : a d d + 1 i f m e a n j o i n t s p a c i n g > 3 m f o r r o c k s p r o n e t o b u r s t i n g , s q u e e z i n g

a n d s w e l l i n g b y B a r t o n e t a l . ( 1 9 7 4 )

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Geological Strength Index, GSI• Developed by Hoek, Kaiser, & Bawden (1995),

Hoek & Brown (1997).• GSI from Q-system:

• GSI from Geomechanics system where RMR > 25:

• Chart approach based on structure & surface quality

44log9

a

r

n J

J

J

RQDGSI

4

1

10i

iRGSI

GSI Evaluation from Chart

Hoek (2000)

Strength of Rock Masses

a

ubu sm

'

'' 331

Depends on Intact Rock Material and Rock Mass Jointing

Intact Rock

Uniaxial Compression Strength, qu = su

Rock Material Type using parameter mi

Fractured Rock Characteristics (in terms of GSI) Parameters mb and s and exponent "a"

Obtain Mohr-Coulomb Strength Envelope from:

Rock Strength: mi parameter

Strength of Fractured Rock Masses

a

ubu sm

'

'' 331

Parameter: mb = mi exp [(GSI-100)/28]

For GSI > 25: s = exp [(GSI-100)/9] exponent a = 0.5

For GSI < 25: s = 0 exponent a = 0.65 - (GSI/200)

Strength of Rock Massesmi

Strength of Rock Masses

mi

Máximo resistencia compresiva admisible (q) en un Macizo Rocoso según su RQD

F o u n d a t i o n s o n F r a c t u r e d R o c k F o r m a t i o n s

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

R o c k Q u a l i t y D e s i g n a t i o n , R Q D

Allowable

Bearing

Stress q

a (MPa)

P e c k , e t a l . ( 1 9 7 4 )

A p p r o x i m a t i o n

N o t e : U s e m a x i m u m q a < q u

w h e r e q u = c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f i n t a c t r o c k s p e c i m e n s

)130/(1

)16/(1)(

RQD

RQDMPaq ALLOWABLE

N O T E : 1 M P a = 1 0 t s f

Intact Rock Strength Interrelationships

I n t a c t R o c k S p e c i m e n s

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0C o m p r e s s i v e S t r e n g t h , q u ( M P a )

Tens

ile St

rength

, T0

(MPa

)

S e d i m e n t a r yM e t a m o r p h i cI g n e o u sT r e n d+ S . E .- S . E .

01.004.00 uq

T

ER-qu Groups for Igneous Rocks

Deere

and

Miller

(1966)

ER-qu Groups for Sedimentary Rocks

Deere

and

Miller

(1966)

ER-qu Groups for Metamorphic Rocks

Deereand

Miller(1966)

EMAX-qu Groups for All Types of Geomaterials

(Tatsuoka and Shibuya, 1992)