CapI II Clase Introductoria

09/04/2014

Mecánica de Rocas MSc. Jorge Dueñas

Facultad de Geología Geofísica y Minas UNSA www.unsa.edu.pe Email: [email protected]

2014

Evaluación • 2 exámenes (Ex): 60% • Trabajos Prácticos (Tp): 30% • Asistencia y Participación (Pt):10% • Calificación – NF = Ex*0.6+Tp*0.2+Pt*0.1

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Introducción

Contenido del Curso

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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA


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Cap I INTRODUCCIÓN

Aplicaciones de la Mecánica de Rocas

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Estructuras Planas y Excavación Circular

North Pit, Homestake Pitch Mine, Sargents Colorado

Estabilidad de Taludes Bagdad Mine, Arizona

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Grasberg Mine, Indonesia Octubre 9, 2003 Lo que pasa cuando el agua se acumula y el drenaje falla

9 Personas Muertas

Subsidencia Newcrest, Queensland, Australia

El Teniente, Chile

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Estabilidad de Excavaciones Subterráneas Pilar sobrecargado (overstressing)

Colapso de un túnel

Fragmentación

DOZ, Freeport Indonesia

Esmeralda- El Teniente, Codelco, Chil

Página 14

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Palabora, South Africa Transición Tajo- Subterránea

Cap II DESCRIPCIÓN EN MECÁNICA DE ROCAS

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Propiedades Índice de la roca MSc. Jorge Dueñas

Facultad de Geología Geofísica y Minas UNSA www.unsa.edu.pe Email: [email protected]

2014

Objetivos: Interpretar las Propiedades de la Roca • Estar familiarizados con los cuadros, ecuaciones, y tablas para la evaluación de las propiedades de la roca. – Determinar la validez de los resultados de ensayos. – Seleccionar los valores apropiados. – Optimizar la evaluación de los diseños preliminares. • Reconocer que las fracturas y fisuras son tan importantes en el macizo rocoso asi como en la roca intacta entre las discontinuidades.

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Roca intacta

Macizo Rocoso!

Macizo Rocoso =

+ Roca intacta

Discontinuidad

Propiedades de resistencia

Propiedades de resistencia

-UCS -Cohesión (c) -Angulo de fricción (°) -Tracción indirecta -Carga puntual

-Resistencia al corte () -Intercepto cohesivo (c) -Angulo de fricción (°)

Propiedades elásticas

-Módulo de rigidez (Ks,Kn)

-Modulo de Young (E) -Poisson

Propiedades Índice - Gravedad, Gs - Peso Unitario,  - Porosidad, n - Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs)

Propiedades elásticas Condición de las discontinuidades -Orientación (Dip/ Dipdir) -Frecuencia (ff) -Espaciamiento (S) -Rugosidad -Persistencia -Tipo de relleno -Tamaño de bloque -RQD

Metodo directo e indirecto

Macizo rocoso Propiedades de resistencia -Método de H&B -Intercepto cohesivo -Angulo de fricción

Propiedades elásticas -Modulo de Young -Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs)

Estimaciones (empíricas)

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Interpretación de las Propiedades de la Roca • Cuando está involucrado en construcciones civiles: fundaciones, taludes, túneles, cortes en vias, etc. • Dos niveles de clasificación de la roca: – Roca Intacta (origen, tipe, edad, minerales) – Macizo rocoso (discontinuidades)

• Data combinada de ensayos en campo y en laboratorio

Grand Canyon, Arizona FHWA-NHI Subsurface Investigations

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Clasificación de la Roca Intacta • Tipo de Roca • Formación y Edad Geológica • Propiedades Índice: – Gravedad específica, Porosidad, Peso Unitario, Velocidades de onda – Resistencia (compresión, tensión, corte) – Módulo Elástico

Clasificación de Rocas por su origen primario Sedimentary Types Grain

Metaphorphic

Igneous Types

Clastic

Carbonate

Foliated Massive

Intrusive Extrusive

Conglomerate

Limestone

Gneiss

Pegmatite

Breccia

Conglomerate

Sandstone

Limestone

Schist

Siltsone

Chalk

Phyllite

Shale

Calcareous Mudstone

Slate

Aspects Coarse

Medium

Fine

Mudstone

Marble

Quartzite

Granite

Volcanic Breccia

Diorite

Tuff

Diabase

Amphibolite

Rhyotite

Basalt Obsidian

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Era

Period Quaternary

Escala Tiempo Geológico

Epoch

Holocene - Recent Pleistocene Pliocene

Cenozoic

Miocene Tertiary

Oligocene Eocene Paleocene

Cretaceous Mesozoic

Silurian Ordovician Cambrian

Greenland

38 million 54 million 65 million

230 million

Permian

Devonian

5 million 26 million

185 million

Triassic

Paleozoic

10,000 2 million

130 million

Jurassic

Carboniferous

Time Boundaries (Years Ago)

Pennsylvanian Mississippian

265 million 310 million 355 million 413 million 425 million 475 million 570 million

Precambrian

3.9 billion

Earth Beginning

4.7 billion

FHWA-NHI Subsurface Investigations

Mapeo Geológico de las Estructuras del Macizo Rocoso

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Propiedades de la Roca Intacta

Propiedades Índice de la Roca Intacta • Gravedad específica de sólidos, Gs • Peso Unitario,  • Porosidad, n • Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs) • Resistencia Compresiva, qu • Resistencia a la tensión, T0 • Módulos elásticos, ER (a 50% de qu)


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Clasificación Geológica de las rocas

• La idea es caracterizar ciertos parámetros de la roca que tiene que ver con su resistencia • Estas características se pueden relacionar con las del macizo rocoso • Desde el punto de vista genético: – Ígneas – Sedimentarias – Metamórficas

• Desde el punto de vista del comportamiento: – – – –

Textura cristalina Textura clástica Rocas de granos muy finos Rocas orgánicas

– – – –

Elástico y frágil Plástico Viscoso Isótropo o anisótropo

• Comportamiento:

Clasificación Geológica de las rocas • Descripción incluye: – Textura – Composición – Tipo de cementación en las discontinuidades – Diaclasamiento – Contenido de humedad – Poros – Etc.

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Propiedades • Porosidad: Indica la proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida. Las porosidades normalmente fluctúan entre 0 y 40%. n

VP volumen de poros  VT volumen total

Propiedades • Densidad:

– Corresponde al peso por unidad de volumen – Puede relacionarse con la mineralogía y constitución de los granos que forman la roca

 

peso volumen

• Gravedad específica:

– Es la densidad del material de interés dividida por la densidad del agua  medida adimensional – Densidad del agua es 1g/cm3, lo que hace que, cuando se mide en estas unidades (o equivalentemente en ton/m3), el valor de la densidad y gravedad específica sea el mismo.

G

densidad del material densidad del agua

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Propiedades • Densidad: Las gravedades específicas de minerales comunes fluctúan entre 2.0 (halita) y 7.0 (galena). Las rocas comunes tienen gravedades específicas entre 2.0 y 3.0 en la mayoría de los casos.

Specific Gravity

Material Andesite

Specific Gravity

Material

2.5 - 2.8

Iron Ore

Basalt/Traprock

2.8 - 3.0

Lead Ore (Galena)

7.5

Coal - Anthracite

1.3

Limestone

2.3 - 2.7

Coal - Bituminous

1.1 - 1.4

Copper Ore

2

4.5 - 5.3

Marble

2.4 - 2.7

Mica, schist

2.5 - 2.9

Diabase

2.6 - 3.0

Quartzite

2.6 - 2.8

Diorite

2.8 - 3.0

Rhyolite

2.4 - 2.6

Dolomite

2.8 - 2.9

Rock Salt

2.5 - 2.6

Earth (dry)

1.6 - 1.8

Sandstone

2.2 - 2.8

Earth (wet)

2

Shale

2.4 - 2.8

Gneiss

2.6 - 2.9

Slate

2.7 - 2.8

Granite

2.6 - 2.7

Talc

2.6 - 2.8

Gypsum

2.3 - 2.8

Gravedad Específica de los Minerales S peci f i c G r av i t i es of R ock Mi galena pyrite barite olivine dolomite calcite chlorite feldspar quartz serpentine gypsum halite

Common Minerals Average G s = 2.70

0 Reference Value (fresh water)

1

2

3

4

5

6

7

8

Specific Gravity of Solids, G s FHWA-NHI Subsurface Investigations

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Peso Unitario de la Rocas 3

Saturated Unit Weight,T (kN/m )

28

sat =water [ Gs(1-n) + n]

26

24

22

20

Dolostone Graywacke Mudstone Sandstone

18

16

Granite Limestone Siltstone Tuff

Gs = 2.80 2.65 2.50

14

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Porosity, n


Propiedades • Permeabilidad: – Mide de cierta forma la conexión existente entre poros, de modo que un fluido pueda movilizarse a través de la roca. – La permeabilidad k, se rige por la Ley de Darcy

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Propiedades • Porosidad: – k se mide en Darcy: 1 darcy = 9.86 x 10-9 cm2 – Permeabilidad de la roca intacta suele ser muy distinta de la permeabilidad del macizo rocoso. – Se puede relacionar con la separación de grietas en el macizo rocoso, por lo que provee un índice cuantitativo de calidad del macizo rocoso.

Rock Type Granite

Porosity % 0.5 - 1.5

Dolerite

0.1 - 0.5

Sandstone

5.0 - 25.0

Shale

10.0 - 30.0

Limestone

5.0 - 20.0

Dolomite

1.0 - 5.0

Quartzite

0.1 - 0.5

Propiedades mecánicas • Resistencia: – La resistencia mide la competencia de la roca. – Se mide mediante el ensayo de carga puntual: I S (50 ) 

P D2

• Is(50) es la resistencia a la carga puntual (rango típico va de 0.05 a 15 MPa) • P es la carga al momento de la ruptura • D es la distancia entre los puntos cargados

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Propiedades • Resistencia:

Propiedades • Resistencia: – La resistencia a la carga puntual se correlaciona con la resistencia a la compresión no confinada o simple. – La siguiente ecuación es un resultado empírico entre la resistencia a la carga puntual y la resistencia a la compresión simple (no válida para rocas débiles).

 C  24 I S ( 50 )

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Propiedades • Resistencia Term

Uniaxial Compressive Strength (MPa)

Point Load Index (MPa)

Schmidt Hardness (Type L - hammer)

Field Estimate of Strength

R5 Extremely Strong

>250

>10

50-60

Rock material only chipped under repeated hammer blows

fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite

R4 Very Strong

100-250

4-10

40-50

Requires many blows of a geological hammer to break intact rock specimens

Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff

R3 Strong

50-100

2-4

30-40

Hand held specimens broken by a single blow of a geological hammer

Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale

R2 Medium Strong

25-50

1-2

15-30

Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just scrapes surface

Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone

R1 Weak

5-25

**

<15

Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens

chalk, rocksalt, potash

R0 Very Weak

1-5

**

Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped with knife

highly weathered or altered rock

Extremely Weak

0.25-1

**

Indented by thumbnail

clay gouge

Examples*

Propiedades • Durabilidad: – Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse, al exponerse al aire, agua, tiempo, etc. – Es un concepto más aplicable a mecánica de suelos que a mecánica de rocas. – Se mide mediante un test: • • • • •

Tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura 500 grs de roca en 10 piezas El tambor gira a 20 rpm durante 10 minutos en un baño de agua Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor

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Propiedades • Durabilidad

Propiedades • Velocidad sónica:

– Puede relacionarse con el grado de fracturamiento de la roca  en teoría depende solamente de las propiedades elásticas de las rocas y de la densidad de sus componentes. – Como la roca no es homogénea y presenta fisuras, éstas distorsionan el valor que resulta al medir la velocidad del sonido a través del espécimen. – Se puede calcular la velocidad longitudinal teórica usando composición y proporciones (y asumiendo que no hay fisuras):

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Propiedades • Velocidad sónica: – Se puede medir Vl experimentalmente (considera las fisuras de la roca) – Se define el índice de calidad : V IQ%  l*  100 Vl – Este índice de calidad puede correlacionarse con la porosidad mediante la siguiente relación: IQ %  100  1.6  n%

Propiedades • Velocidad sónica:

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Velocidad Ultrasónica de las Rocas Seismic Velocities for Intact Rock Materials

Shear Wave, Vs (m/s)

5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Compression Wave, Vp (m/s) Limestone Tuff Diorite Basalt

Chalk Slate Gabbro Dolostone

Marble Anhydrite Granite Mudstone

Schist Grandiorite Dunite Siltstone


Modos de falla y ensayos de laboratorio

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Modos de falla • Configuración de las cargas genera que no predomine un modo de falla • Flexión • Cizalle • Tracción directa

Modos de falla • Flexión: – Falla por propagación de grietas de tensión – Techo de labor en roca estratificada – Fallamiento por peso propio

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Modos de falla • Cizalle: – Generación de superficie de ruptura donde los esfuerzos de corte se concentran – Roca se relaja fracturándose y linera el esfuerzo – También generado de manera indirecta con herramientas de perforación

Modos de falla • Tracción directa: – Puede producirse al superarse la fricción, por gravedad – Fractura en planos no conectados, de poca potencia

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Modos de falla • Cuando la roca falla por tracción, la superficie de falla es áspera y no presenta material triturado o fragmentos • Cuando la roca falla por corte, la superficie de falla es más suave y se genera una zona con material pulverizado • Tracción directa también ocurre al existir demasiada presión al interior del túnel – Este es el principio del fracturamiento hidráulico y voladura de rocas.

Ensayos de laboratorio

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Ensayos de laboratorio – Roca Intacta • UCS

• Degradation testing

• Triaxial • Point load Index • Brazil test • Schmidt hammer

Estimación de la resistencia a la compresión simple (UCS) Debe ser medida a partir de ensayos: • Ensayo de carga puntual (no recomendable para roca blanda, ci<25 MPa) • Ensayo de compresión simple Fit Comparison for UCS GRNMM RiskLognorm(47.872,16.062) 25.2

79.1

5.0% 3.6%

0.035

90.0% 91.9%

5.0% 4.5%

0.030 Input

0.025

Minimum 21.17 Maximum 99.52 Mean 47.80 Std Dev 15.53 Values 49

0.020

Lognorm

0.015

Minimum 0.00 Maximum +∞ Mean 47.87 Std Dev 16.06

0.010

0.005

90

100

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

0.000

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Resistencia de la Roca Intacta • Resistencia Compresiva, u = qu • Resistencia a la tensión directa, *T0 • Ensayo Brasileño (Indirecto) , T0 • Resistencia al Corte,  – Alrededor de la roca intacta – A lo largo de la fractura (joints) FHWA-NHI Subsurface Investigations

Estándares y/o Normas • ISRM – minm. no. of tests that should be carried out on a particular rock type • ASTM 4133: Methods of Testing Rocks for Engineering Purposes

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Data de Laboratorio – Roca Intacta (Goodman, 1989) Intact Rock Material

qu

T0

ER



(MPa)

(MPa)

(MPa)

(-)

Ratio qu/T0

Ratio ER//qu

320.0 51.0 73.8 101.5 66.9 162.0 35.2 122.7 355.0 90.3 75.2 214.0 148.0 141.1 11.3 86.9 241.0 226.0 55.2 245.0 62.0 97.9

11.0 1.6 1.2 6.4 1.8 6.9 0.2 3.0 14.5 3.0 2.1 8.1 13.1 11.7 1.1 4.4 11.4 11.9 0.5 4.0 1.2 3.9

88320 28509 19262 19184 55795 53622 5526 29571 83780 51020 11130 39162 34928 73795 3649.9 43885 81699 70512 20700 63700 47926 55803

0.11 0.29 0.38 0.17 0.25 0.34 0.25 0.22 0.29 0.34 0.29 0.46 0.32 0.22 0.29 0.34 0.28 0.18 0.31 0.29 0.40 0.30

29.1 32.3 63.0 15.9 37.4 23.5 167.6 41.5 24.5 29.8 36.3 26.3 11.3 12.1 10.0 19.7 21.1 19.0 100.4 61.3 53.0 25.0

276 559 261 189 834 331 157 241 236 565 148 183 236 523 323 505 339 312 375 260 773 570

Statistical Results: Mean = 135.5 S.Dev. = 93.7 Note: 1 MPa = 10.45 tsf = 145.1 psi

5.6 4.7

44613 25716

0.29 0.08

39.1 35.6

372.5 193.8

Bar aboo Quar tzite Bedf or d Limestone Ber ea Sandstone Cedar City Tonalite Cher okee Mar ble Dwor shak Dam Gneiss Flaming Gor ge Shale Hackensack Siltstone John Day Basalt Lockpor t Dolomite Micaceous Shale Navaj o Sandstone Nevada Basalt Nevada Gr anite Nevada Tuf f Oneota Dolomite Palisades Diabase Pikes Peak Gr anite Quar tz Mica Schist Solenhof en Limestone Taconic Mar ble Taver nalle Limestone


Clasificación de la Roca por su Resistencia


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Ensayos de laboratorio • Ensayos confinados y no confinados • Ensayos de corte • Ensayos de tracción directa e indirecta • Prensa presión constante

Ensayos de laboratorio • Sierra de diamante

• Equipo de preparación de probetas

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Ensayo de carga puntual I S ( 50 ) 

P D2

• P es la carga al momento de la ruptura • D es la distancia entre los puntos cargados

Ensayo de carga puntual • Usualmente el diámetro, D = 50 mm

Is50

P  2 D

D  50   

0.45

• Si la muestra no es cilíndrica – Diámetro efectivo, De

Is50

P  2 De

 D2e     2500 

0.225

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09/04/2014

Ensayo de carga puntual • El ensayo es invalido si se produce la trituración en lugar de la fractura • Is50 se correlaciona con el UCS = c (Unconfined Compression Strength)

c  20 to 24 Is50

Ensayo de compresión simple – no confinada • Ensayo más utilizado para medir resistencia de la roca

• 1f = P / A • 1 crece de 0 a 1f • 2 y 3 son cero • Rango típico: 10-350 MPa

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Resistencia a la Compresión Simple UCS • El diámetro de la muestra debe ser de > 50 mm ─ Diámetro máximo 63 mm? regla del 10x?

• La relación l/d debe ser de 2.0 - 3.0 • Los extremos de la muestra deben cortarse planos ─ Nivelación del material alterado

• Los extremos de la muestra deben ser perpendiculares • La tapa superior esférica debe estar ligeramente lubricado

Configuración del UCS 0.5 -1.0 MPa/sec: 5 to 15 mins/test Spherical top cap

Length, l

Diameter, d

Asiento esférico mantiene la carga alineada con el eje de la muestra: También es importante para las muestras con discontinuidades

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Placas esféricas UCS

Strain Gauges para la deformación axial/radial? • No siempre es posible – Superficies rugosas – Superficies húmedas − Agua o aceite

– Discontinuidad en la muestra?

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NOTAS: • compressive strength generally decreases as diameter increases ─ especially for coarse grained & fissured rocks

• strength of a core decreases as length, l, increases ─ more flaws? ─ greater chance of unfavourable orientation?

Ensayo de compresión simple – no confinada

• Resultados pueden variar mucho al cambiar el procedimiento • Probeta cilíndrica con razón largoancho de 2 a 2.5. • Superficies planas, paralelas y suaves, perpendiculares al eje del cilindro

Typical Rock Types

Compressive Strength (MPa)

Tensile Strength (MPa)

Shear Strength (MPa)

Bulk Density (Mg/m3)

Porosity %

Granite Diorite

100-250

7-25

14-50

2.6-2.9

0.5-1.5

150-300

15-30

NA

NA

Diabase

NA

100-350

15-35

25-60

2.7-3.05

0.1-0.5

Gabbro

150-300

15-30

NA

2.8-3.1

0.1-0.2

Basalt

100-300

10-30

20-60

2.8-2.9

0.1-1.0

Gneiss

50-200

5-20

NA

2.8-3.0

0.5-1.5

Marble

100-250

7-20

NA

2.6-2.7

0.5-2

Slate

100-200

7-20

15-30

2.6-2.7

0.1-0.5 0.1-0.5

Quartzite

150-300

10-30

20-60

2.6-2.7

Sandstone

20-170

4-25

8-40

2.0-2.6

5-25

Shale

5-100

2-10

3-30

2.0-2.4

10-30

Limestone

30-250

5-25

10-50

2.2-2.6

5-20

Dolomite

30-250

15-25

NA

2.5-2.6

1-5

Steel

900-1500

NA.

NA

NA

NA

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Ensayo de compresión simple – no confinada • Ruptura de probeta puede producirse por la matriz o por algún plano pre-existente de debilidad

Influencia de las Discontinuidades en la Resistencia • Orientation & number of discontinuities affect strength: consider a single discontinuity 1.0

c/c max  minm.

Apparent angle of friction of joint = w



0.0 0

w

(45 + w/2)

90

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Intersección de Discontinuidades?

1.0

c/c max minm.

0. 0

 0

90

Ensayo de durabilidad • Resistencia a alterarse al someterse al ambiente (agua, aire)

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09/04/2014

Ensayo de compresión triaxial • Aplicación simultánea de compresión y presión de confinamiento axisimétrica. • Celda triaxial: depósito en que la probeta se somete a una presión de confinamiento mediante un líquido a presión (aceite)

Ensayo Triaxial Spherical top cap Strain gauged specimen - axial and radial strain Stiff rubber jacket Solid steel cell Oil instead of water to provide 3 - (values in MPa) - (1  3)

Need to apply 1 through ram as oil loaded

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Ensayo de compresión triaxial • Confinamiento aumenta considerablemente la resistencia a la carga axial • Al momento del peak de carga: – 1f = P/A – 1 crece de 0 a 1f – 2 = 3 = p • Orden en el que se aplican las cargas es relevante: – Confinamiento p y luego hacer crecer 1 de 0 a 1f – Confinamiento y esfuerzo axial simultáneos

•

Ensayo de tracción indirecta o brasileño Permite estimar la

resistencia a la tracción • Una roca cuyo largo es casi igual a su diámetro se rompe en un plano diametral paralelo al eje del cilindro cuando es cargado lateralmente • Esfuerzo de tensión uniforme y perpendicular al plano diametral:

• t,B=2P/dt

40

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Ensayo Brasileño • Splitting test of discs of rock, t thick, diameter, D

P 2P Dt t  thickness of disc at the centre

t 

Ensayo de tracción simple • Más complejo que el ensayo brasileño y que el de compresión simple • Ensayo brasileño entrega valores más altos que el de tracción directa • Menos interés práctico

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Esclerómetro (Schmidt Hammer) • same as used for concrete • rebound on standard impact converted to f’c = c • take many samplings to get a statistical mean

Clasificación de la Roca Intacta • Clasificación por la Resistencia a la Compresión Uniaxial, u • Clasificación por su Resistencia y su Módulo Elástico (ER/u) • Cuadros y/o diagramas representativos para rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. • Revisión (check list) sobre la razonabilidad de las mediciones en laboratorio y los ensayos respectivos.


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ER-u para Rocas Ígneas

Deere and Miller (1966)


ER-u para Rocas Sedimentarias



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ER-u para Rocas Metamórficas



EMAX-qmax para todo tipo de Geomateriales (Tatsuoka and Shibuya, 1992)


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Correlaciones - Resistencia Roca Intacta

R =

Resistencia al corte


Correlaciones - Resistencia Roca Intacta Intact Rock Specimens

Tensile Strength, T0 (MPa)

25

T0

20

qu

 0 .04  0.01

15 Sedimentary Metamorphic Igneous Trend + S.E. - S.E.

10

5

0 0

100

200

300

400

Compressive Strength, qu (MPa)

500

600


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Caracterización Geomecánica del Macizo Rocoso

Caracterización Geomecánica Caracterizar.-

Es describir las cualidades particulares, propios de cada macizo rocoso.

Caracterización.-

Es el proceso de designar la calidad del macizo rocoso basado en números y términos descriptivos de los rasgos que se presentan de cada macizo rocoso.

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Para qué? Identificar los parámetros más significativos que influencian en el comportamiento del macizo rocoso Dividir la formación del macizo rocoso en grupos de similar comportamiento geomecánico con una calidad variable. Proveer una información base para la comprensión de las características del macizo rocoso

• La caracterización no debe contemplar solo la media de los valores sino su distribución estadística • Parámetros a estudiar: - Geological Strength Index (GSI) - Resistencia a la compresión simple (UCS) - Deformabilidad - Estado tensional - Orientación de las estructuras

Macizo Rocoso

Elementos

+ Roca Intacta

= Discontinuidades

Macizo Rocoso

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Roca Intacta Características Físicas.Es importante detallar las características físicas del espécimen a evaluar, como son: • Color • Composición mineral • Alteración • Textura Características Mecánicas.- Se refiere principalmente a la resistencia a la compresión simple (σu) determinado en campo, se debe desarrollar haciendo uso el martillo y la navaja

Grado

Descripción

Identificación de campo

σu (Mpa)

R0

Extremadamente Marcada por la uña débil

R1

Muy débil

Se desmenuza bajo el impacto de la punta del martillo de geólogo, puede ser raspada con la navaja.

R2

Débil

Puede ser raspada con la navaja con dificultad; marcada por golpe firme de la punta del martillo de 5 – 25 geólogo.

R3

Medianamente resistente

No puede ser raspada por la navaja; muestras pueden ser fracturadas con un solo golpe del martillo de geólogo.

25 – 50

R4

Resistente

Muestras requieren de muchos golpes del martillo para fracturarse.

50 – 100

R5

Muy resistente

Muestras requieren de muchos golpes del martillo 100 – para fracturarse. 250

R6

Extremadamente Muestras solamente retiran chispas con el martillo > 250 resistente de geólogo.

<1 1–5

Discontinuidades

Existen muchas formas de medir la orientación de las discontinuidades, pero el mas adecuado es el vector buzamiento que es la actitud de la discontinuidad en el espacio: Buzamiento / Dirección de Buzamiento (Dip / Dip Direction).

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Orientación de las estructuras A partir de imágenes obtenidas mediante sondas de testificación geofísica Imagen óptica y acústica

24899 polos

Valor característico Métodos estadísticos para determinar el valor característico

t  tV   Xm  X k  X m 1  n n   Donde,

t= valor de Student (depende del nº de datos, n) V= coeficiente de variación = desviación estándar Xm= valor medio

En caso de tener pocos datos, una buena aproximación es:

X k  X m 1  k n V   X m  0.5

Orr, T. L.L. & E.R. Farrell (1999) Geotechnical Design to Eurocode 7 – Chapter 2. Springer (London). ISBN 1‐85233‐038‐4

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Discontinuidad

Espaciamiento (S).El espaciamiento de las discontinuidades es la distancia media entre dos planos de discontinuidad del macizo rocoso en dirección perpendicular a los planos de discontinuidad.

Discontinuidad

Rugosidad.Conocido también como el grado de aspereza de las superficies de discontinuidad, es un parámetro importante que caracteriza la condición de la discontinuidad. Abertura.- Es la distancia perpendicular entre paredes adyacentes de una discontinuidad, cuyo espacio intermediario puede estar contenido con relleno o sin ello.

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Discontinuidad Espaciamiento (S).Distancia media entre dos planos de discontinuidad del macizo rocoso en dirección perpendicular a los planos de discontinuidad.

Discontinuidad Persistencia.- Influyen en la magnitud en que el material rocoso y la separación de las discontinuidades afectan el comportamiento del macizo rocoso. Alteración.- El grado de alteración de las superficies de las discontinuidades, esto es clasificado de acuerdo a la recomendación del ISRM:

Relleno.- Tiene doble influencia en el comportamiento, el espesor del relleno que evita que se cierren las asperezas de la fractura y posee su propia característica como es la resistencia al corte, permeabilidad y características deformacionales.

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Macizo Rocoso Efecto de la Escala

“Al definir un volúmen del macizo rocoso, en forma implícita también estamos definiendo el tamaño de los trozos de roca y de las estructuras que conforman este volumen”. Karzulovic,2000

Macizo Rocoso Tamaño de Bloque.- El macizo rocoso es conceptuado como bloques discretos limitados por delgadas discontinuidades, y su comportamiento es gobernado por la combinación de las características del bloque y discontinuidades. El tamaño del bloque es definido como diámetro de un bloque típico de roca en la unidad para ser clasificada; el tamaño del bloque puede ser expresado como un rango y un valor típico.

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Macizo Rocoso Índice de la Calidad de la Roca.Deere 1967, presentó este concepto como un índice cuantitativo que nos muestra la relación de longitudes mayores de 10 cm de un testigo de perforación entre la longitud total perforada (LP) RQD 

(   10cm) LP

El espaciamiento promedio de la discontinuidad es el recíproco de la frecuencia promedio (S). Priest & Hudson (1976) proponen relacionar el espaciamiento promedio (S) con el RQD, según la relación: RQD  100e

(

0.1 ) S

(

0.1  1) S

Macizo Rocoso Número de Familias.- Es el número de familias que componen un sistema de discontinuidades. El macizo también puede contener discontinuidades individuales. RQD (%)

Cantidad Volumétrica de Discontinuidades (Jv).Una densidad areal o volumétrica puede ser expresada en términos del número de discontinuidades por unidad de área o unidad de volumen del macizo rocoso.

100

Designación Roca fuerte y masiva

Jv (disc/m3)  1.0 1-3

Designación Bloques muy grandes

90-100

Excelente

Bloques grandes

75-90

Buena

3-10

Bloques de tamaño medio

50-75

Regular

10-30

Bloques pequeños

25-50

Pobre

 30

Bloques muy pequeños

 25

Muy pobre

 60

Roca “triturada”

Se presenta una relación entre el RQD y el Jv. RQD = 115 – 3.3Jv

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Mapeo Geomecánico del Macizo Rocoso

Técnicas de Levantamiento Geomecánico Registro de Sondajes. Para desarrollar el registro de núcleos se debe realizar con sumo cuidado ya que depende de ello una correcta obtención de la data, haciendo uso de la visualización y filmación de las paredes del mismo, mediante una cámara fotográfica o cámara de televisión. Generalmente el logueo se desarrolla por cada metro de testigo. Pero si se alternara esto dividiéndolo en secciones de acuerdo a la alta y baja densidad de discontinuidades que presentan de tal manera que el logueo se puede realizar de acuerdo a esta densidad

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Mapeo de Afloramientos Registro Linear Este tipo de trabajo consiste en describir una línea en el afloramiento del macizo rocoso, mediante el cual se realiza la toma de datos respectivos.

Mapeo por Celdas. El mapeo por celdas generalmente se desarrolla en minería a tajo abierto, consiste en dividir por celdas de aproximadamente 20m de ancho por la altura del banco. El formato puede contener un gráfico de la celda resaltando las discontinuidades que en el se distinguen o puede ser la fotografía de la celda.

Clasificación Geomecánico del Macizo Rocoso

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Clasificación del Macizo Rocoso • RQD – inicios de clasificación del macizo rocoso • Geomecánico- Rock Mass Rating (RMR) por Bieniawski (1984, 1989) • Q - Norwegian Geotechnical Institute (Barton, et al. 1974) • Geological Strength Index, GSI (Hoek, et al., 1995)

Clasificación RMR (Rock Mass Rating) •

RMR basado en 5 parámetros: – – – – –

•

UCS, u Rock Quality Designation, RQD Espaciamiento de Discontinuidades Condición de las Discontinuidades Condición del agua

RMR = R1+R2+R3+R4+R5

• Ajuste por la orientación de las discontinuidades relativo a la construcción.

Rock City Chattanooga, TN

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Clasificación RMR (Rock Mass Rating) Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989] 16

25

RMR Rating R2

RMR Rating R1

14 12 10 8 6 4 2

20 15 10 5

0

0 0

50

100

150

200

250

300

0

10

Unconfined Compressive Strength, qu (MPa)

30

40

50

60

70

80

90

100

Rock Quality Designation, RQD 35

25

Rough/Unweathered

30

20

RMR Rating R4

RMR Rating R3

20

15 10 5 0 0.01

Slightly Rough

25

Weathered

20 15

Slickensided Surface or Gouge-Filled

10 5

Soft Gouge-Filled

0 0.1 1 Joint Spacing (meters)

10

0

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

6

Clasificación RMR (Rock Mass Rating) Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989] 16

16 u = joint water pressure 1 = major principal stress

12

Al t er nat e 2 D ef i ni t

10

f or P ar a met er5 R

8 6 4 2

Al t er nat e 1 D ef i ni t i

Dr y

14

RMR Rating R5

RMR Rating R5

14

f or P ar amet er5 R

12 Damp

10

W et

8 6

Dripping

4 2 Flowing

0

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1

Joint Water Pressure Ratio, u/1

100

1000

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

ROCK MASS RATING (RMR)

5

also CSIR System

Geomechanics System - (Bieniawski, 1984, 1989) Geomechanics Classification for Rock Masses CLASS DESCRIPTION RANGE of I Very Good Rock 81 to II Good Rock 61 to III Fair Rock 41 to IV Poor Rock 21 to V Very Poor Rock 0 to

10

RMR =

 Ri i=1

RMR 100 80 60 40 20

NOTE: Rock Mass Rating is obtained by summing the five index parameters to obtain an overal rating RMR. Adjustments for dip and orientation of discontinuities being favorable or unfavorable for specific cases of tunnels, slopes, & foundations can also be considered.

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NGI- Q Rating of Rock Masses • Q-Rating based on 6 parameters: – Rock Quality Designation, RQD – – – – –

Number of Joint Sets, Jn Roughness of Discontinuities, Jr Discontinuity Condition/Filling, Ja Groundwater Conditions, Jw Stress Reduction Factor, SRF

• Rating of Rock Formation: Tucson, AZ

 RQD  J r  J w    Q    J  n  J a  SRF  FHWA-NHI Subsurface Investigations

NGI Q-System Rating for Rock Masses (Barton, Lien, & Lunde, 1974) Norwegian Classif ication f or Rock Masses Q - Value Quality of Rock Mass < 0.01 0.01 to 0.1 to 1 to 4 to 10 to 40 to 100 to < 400

0.1 1 4 10 40 100 400

Exceptionally Poor Extremely Poor Very Poor Poor Fair Good Very Good Extremely Good Exceptionally Good

PARAMETERS FOR THE Q-Rating of Rock Masses 1. RQD = Rock Quality Designation = sum of cored pieces > 100 mm long, divided by total core run length 2. Number of Sets of Discontinuities (joint sets) Massive One set Two sets Three sets Four or more sets Crushed rock

= Jn 0.5 2 4 9 15 20

= Jr 3. Roughness of Discontinuities* Noncontinuous j oints 4 Rough, wavy 3 Smooth, wavy 2 Rough, planar 1.5 Smooth, planar 1 Slick and planar 0.5 Filled discontinuities 1 *Note: add +1 if mean joint spacing > 3 m

 RQD   J r   Q    J n  J a

 J w       SRF 

4. Discontinuity Condition & Infilling 4.1 Unfilled Cases Healed Stained, no alteration Silty or Sandy Coating Clay coating 4.2 Filled Discontinuities Sand or crushed rock inf ill Stif f clay inf illing < 5 mm Sof t clay inf ill < 5 mm thick Swelling clay < 5 mm Stif f clay inf ill > 5 mm thick Sof t clay inf ill > 5 mm thick Swelling clay > 5 mm

=

Ja 0.75 1 3 4 4 6 8 12 10 15 20

5. Water Conditions Dry 1 Medium W ater Inf low 0.66 Large inf low in unf illed j oints 0.5 Large inf low with f illed j oints that wash out 0.33 0.2 to 0.1 High transient f low High continuous f low 0.1 to 0.05 6. Stress Reduction Factor** Loose rock with clay inf ill Loose rock with open j oints Shallow rock with clay inf ill Rock with unf illed j oints

= SRF 10 5 2.5 1

**Note: Additional SRF values given for rocks prone to bursting, squeezing and swelling by Barton et al. (1974)


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Geological Strength Index, GSI • Desarrollado por Hoek, Kaiser, & Bawden (1995), Hoek & Brown (1997).  RQD  J r  GSI  9 log  • GSI from Q-system:

 J n

   44 J  a 

• GSI from Geomechanics system where RMR > 25: 4

GSI  10   Ri  i 1

• Chart approach based on structure & surface quality


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GSI Evaluation from Chart

Hoek (2000)


Estimación del GSI Rock Mass Rating system (RMR) según Bieniawski, 1989

Bieniawski, Z.T. (1989) Engineering Rock Mass Classifications. New York: Wiley.

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No se debe considerar el agua en la estimación de parámetros, ya que su efecto se incluirá en los cálculos pertinentes (Hoek, 1988) Hoek, E. & E.T. Brown (1998) The Hoek-Brown Failure Criterion – a 1988 update. 15th Canadian Rock Mechanics Symposium, October 1988, Toronto. Ed. John H. Corran


Criterio de rotura de Hoek-Brown generalizado



3   s  ci  

a

 1   3   ci m

La roca intacta difícilmente podría llegar a RMR=100 al ser penalizado por la resistencia, especialmente en rocas blandas La resistencia de la roca intacta aparece m  RMR  100  explícitamente en el criterio de ruptura  exp  mi 14    RMR  100  s  exp  9  

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Estimación del GSI Relación entre el RQD y frecuencia media de las discontinuidades Priest & Hudson (1981)

Priest, S.D. & J.A. Hudson (1981) Estimation of discontinuity spacing and trace length using scanline surveys. Int J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Vol 18, pp. 183-197 (1981)

Estimación del GSI

Manual de Túneles y Obras Subterráneas - Capítulo 4. C. López Jimeno ed.. ETSIM Madrid, 2000

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Estimación del GSI - Cualitativo Geological Strength Index (GSI) según Hoek et al

Estimación del GSI - Cuantitativo GSI es función del espaciado de las juntas y el factor de estado de la junta Jc (Cai et al, 2004)

Jc 

J w  Js JA

Jw = ondulación de la junta a gran escala Js = rugosidad de la junta a pequeña escala JA = grado de alteración de la junta

Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI

system.

International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19

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Estimación del GSI - Cuantitativo Descripción de la ondulación de la junta a gran escala (Cai et al, 2004)

Descripción de la rugosidad a pequeña escala (Cai et al, 2004)

Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI system. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19

Estimación del GSI - Cuantitativo Descripción de la alteración de la junta (Cai et al, 2004)


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Estimación del GSI - Cuantitativo Determinación del GSI (Cai et al, 2004)


Estimación del GSI - Cuantitativo Determinación del GSI función de Jv (Sonmez et al, 1999)

Sonmez, H. & R. Ulusay (1999) Modifications to the geological strength index (GSI) and their applicability to stability of slopes. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 36 (1999) 743-760

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Estimación del GSI - Cuantitativo Dada la dificultad para estimar el Jc a partir de sondeos se puede relacionar con el valor de RMR(4) RMR(4): descripción del estado de las discontinuidades

Despreciando la persistencia (difícil de estimar de sondeos y que no aparece en el GSI) se obtiene un máximo de 24 puntos. Divididos en 5 grupos se obtiene la equivalencia:

Estimación del GSI - Cuantitativo Considerando esta equivalencia se puede obtener el GSI a partir del espaciado entre juntas y el RMR(4) Ambos valores se pueden obtener directamente de sondeos Parámetros observables a pequeña escala

A partir de la regresión cuadrática de la gráfica de GSI se obtienen la expresiones:

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Estimación del GSI - Cuantitativo Comparativa de resultados según este método Unidad geotécnica 1 (Tobas)

Histograma de distribuciones de RMR y GSI Representación RMR vs. GSI

Estimación del GSI - Cuantitativo Comparativa de resultados según este método Unidad geotécnica 7 (diatrema)

Histograma de distribuciones de RMR y GSI

Representación RMR vs. GSI

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Estimación del GSI - Cuantitativo Representación RMR vs GSI

Tobas

Diatrema y brechas

Estimación del GSI - Cuantitativo

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CapI II Clase Introductoria

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