tema 6

UNIVERSIDAD PRIVADA

DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECURA

GONZALES YANA ROBERTO Ingeniero Geólogo

MECÁNICA DE ROCAS I

Cajamarca, Mayo del 2014

INGENIERIA DE MINAS

Ing. Roberto GONZALES YANA 3

Las clasificaciones geomecánicas determinan la sistemática del diseño empírico en la Ingeniería de Rocas y relacionan la experiencia práctica ganada

en diferentes proyectos con las condiciones existentes en determinado sitio. La utilización de

las clasificaciones ha crecido de tal manera que ahora no solo se circunscribe a túneles, sino

también a taludes, cimentaciones, minería, etc. Debido a su proximidad con la realidad y a las

ventajas que tiene con otros métodos utilizados.


El índice Q de clasificación de macizos rocosos fue desarrollado en Noruega en 1974 por Barton, Líen y Lunde, todos del Instituto Geotécnico de Noruega.

Su desarrollo representó una mayor contribución al tema de clasificación de macizos rocosos por las siguientes razones.

El sistema fue propuesto con base en el análisis de 212 casos históricos de túneles en Escandinavia.

Es un sistema de clasificación cuantitativo.

Es un sistema ingenieril que facilita el diseño de sostenimiento para túneles.

La Clasificación de Barton asigna a cada terreno un índice de calidad Q, tanto mayor cuanto mejor es la calidad de la roca.


En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de Calidad Q, basado en 6 parámetros:

RQD - índice de Calidad de la Roca.

Jn - Número de familias de discontinuidades

Jr -Rugosidad de las discontinuidades. El valor del parámetro Jr también depende de la presencia de relleno y del tamaño de las discontinuidades.

Ja -Meteorización de las discontinuidades.

Jw -Coeficiente reductor que tiene en cuenta la presencia de agua.

SRF -“Stress Reduction Factor”, factor de reducción dependiente de las tensiones.


Estos 6 parámetros son agrupados en tres cocientes para dar en conjunto la calidad del macizo rocoso Q como sigue:

RQD : Parámetro definido por Deere (1964)

Jn : Número de contactos o discontinuidades.

Jr : Numero de rugosidades.

Ja : Numero de alteración

Jw : Condición de agua subterránea

SRF : Factor de reducción del esfuerzo.

SRF

Jx

J

Jx

J

RQDQ w

a

r

n

La calidad de la roca puede tener un rango que va de Q = 0,001 a Q = 1000 en una escala logarítmica, teniendo las siguientes categorías de macizos rocosos:


CLASIFICACIÓN DE LA ROCA DE ACUERDO CON EL ÍNDICE DE CALIDAD Q

Tipo de Roca Valores de Q

Excepcionalmente mala 10-3 - 10-2

Extremadamente mala 10-2 - 10-1

Muy mala 10-1 - 1

Mala 1 - 4

Media 1 -10

Buena 10 - 40

Muy buena 40 - 100

Extremadamente buena 100 - 400

Excepcionalmente buena 400 - 1000



CLASIFICACIÓN Y

VALORACIÓN DE

LOS PARÁMETROS

INDIVIDUALES DEL

ÍNDICE Q (BARTON

Y GRIMSTAD,

1994)

TABLA 3.18

CLASIFICACIÓN Y

VALORACIÓN DE

LOS PARÁMETROS

INDIVIDUALES DEL

ÍNDICE Q (BARTON

Y GRIMSTAD,

1994)


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

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

y de roca empacada en arcilla.

b) Las tensiones en una roca competente y.

c) Las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes. Se puede considerar

como un parámetro total de tensiones.


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

efecto negativo en la resistencia a la tensión cizallante de las discontinuidades, debido a la

reducción en la tensión efectiva normal. El agua puede causar, además, un ablandamiento

de las arcillas e incluso, posiblemente, su lavado.

El cociente (Jw/SRF) es un factor empírico complicado que describe las fuerzas Activas.

Se ve ahora que el índice Q para túneles puede considerarse como una función de solo tres

parámetros que son medidas aproximadas de:

1. El tamaño de los bloques (RQD/Jn).

2. La resistencia a la tensión cizallante entre bloques (Jr/Ja).

3. Las tensiones activas (Jw/SRF).


Las diaclasas más desfavorables para la estabilidad de la excavación son las que no

presentan contacto entre sus paredes.

Para poder relacionar el índice Q para Túneles, con el comportamiento de una excavación

subterránea y sus necesidades de sostenimiento, Barton, Líen y Lunde introdujeron una

magnitud cuantitativa adicional que llamaron "dimensión equivalente De" de la excavación.

¿Esta dimensión se obtiene de la siguiente relación:

De = Ancho, diámetro o altura (m) de la excavación

• Relación de sostenimiento de la excavación (ESR)

La relación de sostenimiento de la excavación ESR tiene que ver con el uso que se ha

asignado a la excavación, y hasta donde se le puede permitir cierto grado de

inestabilidad. Barton da los siguientes valores supuestos para ESR. El ESR es más o

menos análogo al inverso del Factor de Seguridad empleado en el diseño de taludes.


CLASIFICACIÓN Y VALORACIÓN DE LOS PARÁMETROS

INDIVIDUALES DEL INDICE Q

Ing. Roberto GONZALES YANA


CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DEL MACIZO ROCOSO

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El valor de Q varía entre 0,001 y 1000, dentro de este rango se definen nueve calidades de

roca, tal como se muestra en la tabla siguiente:

CALIDAD DE ROCA Indice Q

Excepcionalmente mala 0.001 - 0.01

Extremadamente mala 0.01 - 0.1

Muy mala 0.1 – 1.0

Mala 1.0 – 4.0

Regular 4.0 – 10.0

Buena 10.0 – 40.0

Muy buena 40.0 - 100.0

Extremadamente buena 100.0 - 400.0

Excepcionalmente buena 400.0 - 1000.0


VALORES DE ESR (BARTON Y GRIMSTAD, 1994)

Tipo de Excavación ESR

A. Excavaciones mineras provisionales. 2,0 - 5,0

B. Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua

para obras hidroeléctricas (con excepción de las cámaras de alta

presión para compuertas), túneles piloto (exploración), excavaciones

parciales para cámaras subterráneas grandes.

1,6 - 2,0

C. Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento

de aguas, túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de

alta presión, túneles auxiliares.

1,2 - 1,3

D. Casas de maquinas, túneles carreteros y ferrocarrileros mayores,

refugios de defensa civil, portales y cruces de túnel.

0,9 - 1,1

E. Estaciones nucleares eléctricas subterráneas, estaciones de

ferrocarril, instalaciones para deportes y reuniones, fábricas.

0,5 - 0,8


DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO

Para el dimensionamiento del sostenimiento se distinguen tres casos:

a. Sostenimiento de hormigón.

b. Pernos.

c. Hormigón lanzado.


Se calcula el espesor del anillo de hormigón a partir de la expresión.

A. SOSTENIMIENTO DE HORMIGÓN

Donde:

T: espesor de hormigón de revestimiento en cm;

P: presión aplicada en kg/cm2;

R: radio interior del revestimiento en cm;

σc.c: resistencia a la compresión uniaxial del hormigón en kg/cm2.

Las expresiones para el cálculo de la presión sobre el revestimiento (P), en el

techo y paredes de la excavación, se obtienen a partir del índice Q.


Se calcula el espaciado de los pernos a partir de la presión P y la carga de trabajo de

cada perno. La longitud de los pernos se obtiene de la expresión:

B. PERNOS

Donde:

L : longitud del perno en metros;

B : ancho de la excavación en metros;

H : altura de la excavación en metros;

ESR : relación de sostenimiento de la excavación.

En el caso de anclajes en bóveda, se usan las siguientes expresiones


Se considera que el hormigón lanzado se coloca en pequeñas capas de 2 a 5 cm de

espesor, y su función es evitar la meteorización de la roca, especialmente en las

diaclasas; no se debe utilizar para el cálculo la expresión utilizada para el hormigón

(ec.3.18), ya que hay que recurrir a un dimensionado de rotura por cizallamiento y no

por f1exión como supone esa expresión.

C. HORMIGÓN LANZADO


COMPARACION ENTRE EL RMR Y EL INDICE Q

Los dos sistemas están basados en la valoración de tres propiedades importantes del

macizo rocoso.

Resistencia de la roca intacta.

Propiedades friccionales de las discontinuidades.

La geometría de los bloques intactos definidos por las discontinuidades.

Para analizar la influencia de esos parámetros, la valoración aproximada del total del

rango para el RMR y el índice Q es comparada de la siguiente manera:


CORRELACIÓN ENTRE EL RQD, EL RMR Y EL Q DE BARTON

• Resistencia

• Rigidez

• Tamaño del bloque Integridad estructural Estabilidad

• Vida útil.

RQD

RMR

Q

100

100

1000 0.001

0

0


CORRELACIÓN ENTRE EL RQD, EL RMR Y EL Q DE BARTON


CLASIFICACIÓN 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.


CLASIFICACIÓN LAUBSCHER (1976)

El sistema de valuación del Macizo Rocoso para minería (MRMR, Mining Rock Mass

Rating), fue introducido en 1974 como un complemento de la Clasificación Geomecánica

RMR (Bieawski) para solventar diversos problemas en minería. La diferencia

fundamental de este sistema está en que la valuación del Macizo Rocoso in situ

(RMRLB ) tiene que ser ajustada tomando en cuenta el desarrollo minero. Los

parámetros que se involucran en el ajuste son meteorización, tensiones inducidas por

las operaciones mineras, orientación de las discontinuidades y efectos de voladura. Las

discontinuidades geológicas estrechas y débiles que tienen continuidad dentro o más

allá de los niveles de excavación o en los pilares deben ser identificadas y evaluadas en

forma separada. Un importante progreso de esta clasificación es que resulta aplicable

tanto en afloramientos como en núcleos de perforación.


ESPACIADO DE DIACLASAS (RQD JS Ó FF/M)

El espaciado es la medida de todas las diaclasas y fracturas, y no incluye los rasgos

cementados. Los rasgos cementados afectan al valor ISR y como tal, deben ser

incluidos en esa valoración. Una diaclasa es un rasgo evidente, que es continuo si su

longitud es más grande que el ancho de la excavación o si termina con otra diaclasa, es

decir, diaclasas que definen bloques de roca. Las fracturas y separaciones no

necesariamente tienen continuidad. Un máximo de tres familias de diaclasas es tomado

en cuenta, dado que tres familias definirán un bloque de roca; cualquier otra familia

podrá modificar solamente la forma del bloque.



Las medidas subterráneas de la frecuencia de discontinuidades se hacen en los

hastiales y techo de la galería, túnel o rebaje, dependiendo de la orientación de las

discontinuidades, se pueden presentar los siguientes casos:

a. Si todas las discontinuidades están presentes en los hastiales, se deben

establecer si ellas interceptan una línea horizontal.

b. Si ellas no interceptan la línea horizontal, se tiene que medir también sobre una

línea vertical.

c. Si un sistema de paralelo a los hastiales, es necesario medirlo con una línea en

el techo en el ángulo recto respecto al hastial o pared.


DISEÑO DE SOSTENIMIENTO

Dado que uno de los sistemas de sostenimiento más utilizados tanto en obras

subterráneas de tipo civil, como una minería subterránea es la utilización de pernos

de anclaje, se detallan a continuación una serie de formulaciones empíricas

propuestas por varios autores.

Laubscher ha sugerido la siguiente fórmula empírica para evaluar el largo de los

pernos de anclaje:

L: 1/0.33xBxF

Donde

L: longitud del perno.

B: ancho libre de labor minera.

F: factor empírico, que depende de la calidad geomecánica de la roca.



INDICE MRMR FACTOR F

0-20 1.30

21-31 1.20

31-40 1.15

41-50 1.10

51-60 1.05

>60 1.00

FACTOR F, según el RMRL3 Laubscher.


CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA RMR E ÍNDICE Q

En el sistema RMR, Bieniawski da más importancia a la orientación e inclinación de las

discontinuidades de la roca y no da ninguna al aspecto tensional del macizo rocoso. Por

su parte, Barton en el sistema Q, no lleva en cuenta la orientación de las características

estructurales, pero evalúa la rugosidad y alteración de las discontinuidades,

representando así la resistencia al cizallamiento. Los dos sistemas están basados en la

valoración de tres propiedades importantes del macizo rocoso:

• Resistencia de la roca intacta.

• Propiedades friccionales de las discontinuidades

• Geometría de los bloques de roca definidos por las discontinuidades.


CLASIFICACIÓN DE LAUBSCHER

• Es un sistema compresivo y versátil que tiene una amplia aceptación del personal

minero.

• La necesidad de un muestreo preciso no es de mucha consideración.

• Existe espacio para posteriores mejoras, aplicando la experiencia práctica a los cuadros

y figuras empíricas.

• El sistema de resistencia de diseño del macizo rocoso (DRMS), no ha tenido la misma

propaganda, pero ha probado ser una herramienta útil en situaciones de planificación

difícil y ha sido usado satisfactoriamente en los modelos matemáticos. Sin embargo, da

sugerencias de sostenimiento más conservadoras que el RMR y el MRMR.

• El concepto de ajustes es muy importante ya que fuerza al ingeniero a reconocer los

problemas asociados con las condiciones concretas con las que está tratando.

• Las recomendaciones de sostenimiento que se proponen en los diferentes sistemas de

clasificación de macizos rocosos, son algo conservadoras, por lo que es necesario

realizar un análisis en base a la experiencia de los técnicos, para disminuir los costos y

no sobredimensionar el sostenimiento.


LAUBSCHER (1984)

Clasificación análoga a la anterior pero solo con cuatro parámetros, el flujo de agua en

esta clasificación no existe.


CLASIFICACION GEOMECANICA SRC

La clasificación geomecánica SRC, se basa en la RMR, y se diferencia de esta por

considerar el estado tensional del macizo rocoso, las condiciones constructivas del túnel

y la utilización de datos de afloramientos.

Los parámetros que intervienen son el siguiente cuadro:

• Resistencia de la matriz rocosa.

• Espaciado de las discontinuidades o RQD

• Condiciones de las discontinuidades

• Filtraciones.

• Estado tensional, definido por los siguientes factores.



La relación entre la convergencia del túnel de sección y el SRC y los índices RMR

también fue analizado. Medidas de apoyo sobre la base de SRC y la clasificación RMR

se compararon con los efectivamente utilizados durante la construcción. Estos análisis

indican que la mayoría de los túneles examinados, estimado del apoyo mediante el SRC

se acerca mucho más a los que realmente instalada que las predichas por el índice

RMR.

GRACIAS…

NUNCA CONSIDERES EL ESTUDIO COMO UNA OBLIGACIÓN, SINO COMO

UNA OPORTUNIDAD PARA PENETRAR EN EL BELLO Y MARAVILLOSO

MUNDO DEL SABER.

tema 6

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