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1 PRESENTACIÓN El sencillo informe, expone con la máxima claridad que hemos podido plasmar unas pequeñas pinceladas motivadoras sobre: Introducción a las propiedades Físico – Mecánicas de las rocas que tienen una influencia determinante en los resultados de un disparo primario, correspondientes a la semana 10 del silabus de perforación y voladura del presente ciclo académico. Las páginas que siguen, que esperamos que sea de fructíferos conocimientos para el lector, cabe recalcar que necesariamente requieren ser ampliadas y completadas en base a estudios más serios y profundos relativos a los múltiples aspectos de la realidad. A pesar de ello, no se debe proceder con ligereza presumiendo que estas páginas carecen de contenido veraz y objetivo, ellas emanan de fuentes escritas auténticas y de una elaboración minuciosa, con la intención de finalizar este trabajo.
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2 DEDICATORIA Hemos tomado por conveniente dedicarlo a nuestros queridos padres, por su apoyo incondicional, por sus consejos, su perseverancia, por el valor mostrado para salir adelante y la motivación constante que nos ha permitido ser personas de bien. También reconocemos al profesor del área, ya que está contribuyendo de gran manera en nuestra formación profesional; ya que no sería lo mismo, sin sus enseñanzas y atenciones, tanto en los salones de clase, como fuera; los desvelos, la paciencia y el apoyo frente a las adversidades. No sería lo mismo sin todas las personas antes mencionadas, de quienes hemos recibido grandes lecciones, valores y virtudes.
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3 RESUMEN Como se mencionaba líneas arriba el énfasis del trabajo es las propiedades Físico – Mecánicas de las rocas que tienen una influencia determinante en los resultados de un disparo primario, correspondientes a la semana 10 del silabus de perforación y voladura del presente ciclo académico. Para mayor detalle, se tiene en cuenta subtemas que aclaran el desarrollo de esta investigación, se empieza con las propiedades físicas de las rocas; entre ellas se encontrara densidad, resistencias dinámicas de las rocas, porosidad, fricción interna, conductividad. Posteriormente se detalla las propiedades geomecánicas; como la resistencia a la compresión uniaxial, resistencia a la tensión, módulo de elasticidad de Young, relación de Poisson, velocidad de las ondas longitudinales, densidad (influencia en la geotecnia); además de ello, se encuentra las clasificaciones clasifica ciones geomecánicas como: RMR, RQD, R QD, índice Q y GSI.
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4 OBJETIVOS 4.1 General:
Alcanzar detalles de mayor envergadura sobre las propiedades Físico – Mecánicas de las rocas que tienen una influencia determinante en los resultados de un disparo primario.
4.2 Específicos:
Conocer las propiedades físicas de las rocas; como, densidad, resistencias dinámicas de las rocas, porosidad, fricción interna, conductividad.
Conocer las propiedades geomecánicas; como la resistencia a la compresión uniaxial, resistencia a la tensión, módulo de elasticidad de Young, relación de Poisson, velocidad de las ondas longitudinales, densidad (influencia en la geotecnia); además de ello, se encuentra las clasificaciones geomecánicas como: RMR, RQD, índice Q y GSI.
Analizar mediante fórmulas y gráficos la resistencia a la compresión uniaxial de las rocas, resistencia a la tensión, módulo de elasticidad de Young, relación de Poisson, velocidad de las ondas longitudinales, RMR, RQD, índice Q y GSI.
Familiarizarnos con estos temas, ya que posteriormente nos serán de gran ayuda para poder hacer las diferentes actividades y tareas que se nos asignen en este curso y afines.
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5 CONTENIDO 1
PRESENTACIÓN ............................................................................................................................... 1
2
DEDICATORIA .................................................................................................................................. 2
3
RESUMEN ........................................................................................................................................ 3
4
OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 4
6
4.1
General:................................................................................................................................... 4
4.2
Específicos: .............................................................................................................................. 4
MARCO TEORICO ............................................................................................................................ 7 6.1
PROPIEDADES FÍSICO - MECÁNICAS DE LAS ROCAS ................................................................ 7
6.1.1
PROPIEDADES FÍSICAS ..................................................................................................... 7
6.1.2
PRINCIPALES PROPIEDADES MECÁNICAS ....................................................................... 9
7
CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 31
8
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................................ 32
9
ANEXOS ......................................................................................................................................... 33
6 TABLA DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1: EJECUCIÓN CORRECTA DE LA CARGA DE UN EXPLOSIVO ............................................................. 8 ILUSTRACIÓN 2: VALORES TÍPICOS DEL PESO ESPE CÍFICO Y POROSIDAD DE LAS ROCAS. FUENTE: GONZALES DE VALLEJO, LUIS (2002). PG. 152. ......................................................................................................... ............ 8 ILUSTRACIÓN 3: VALORES DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL DE ALGUNAS ROCAS ......................... 10 ILUSTRACIÓN 4: CURVAS ESFUERZO-DEFORMACIÓN.
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ILUSTRACIÓN 17: DETERMINACIÓN DE LA CLASE DEL MACIZO ROCOSO ............................................................. 23 ILUSTRACIÓN 18: SIGNIFICADO DE LAS CLASES DE MACIZOS ROCOSOS .............................................................. 23 ILUSTRACIÓN 19: AJUSTE DE VALORES POR LAS ORIENTACIONES DE LAS JUNTAS .............................................. 23 ILUSTRACIÓN 20: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LAS DISCONTINUIDADES (HUDSON. 1969). ....................................................................................................... 24 ILUSTRACIÓN 21: NÚMERO DE FAMILIAS DE JUNTAS. JN..................................................................................... 24 ILUSTRACIÓN 22: METEORIZACIÓN DE LAS JUNTAS. JA ....................................................................................... 25 ILUSTRACIÓN 23: METEORIZACIÓN DE LAS JUNTAS. JA ....................................................................................... 26 ILUSTRACIÓN 24: AGUA EN LAS JUNTAS. JW .............................................................. .......................................... 26 ILUSTRACIÓN 25: TENSIONES EN LA EXCAVACIÓN. S.R.F. .................................................................................... 26 ILUSTRACIÓN 26: CATEGORÍA EXCAVACIÓN ESR ....................................................... ........................................... 27 ILUSTRACIÓN 27: CATEGORÍAS DE SOSTENIMIENTO ESTIMADAS EN BAS AL ÍNDICE Q (SEGÚN GRIMSTAD Y BARTON 1993)....................................................... ................................................................. ..................... 27 ILUSTRACIÓN 28: CLASIFICACIÓN DE BARTON ET AL. (197 4) DE LOS MACIZOS ROCOSOS. TIPOS DE MACIZOS ROCOSOS............................................................... ................................................................. ..................... 29 ILUSTRACIÓN 29: ESTIMADÓN DEL ÍNDICE GSI EN BASE A DESCRIPDONES GEOLÓGICAS (HOEK Y BROWN. 199 7). .................................................................................................................................................................... 30
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7 MARCO TEORICO 7.1 PROPIEDADES FÍSICO - MECÁNICAS DE LAS ROCAS Los materiales que constituyen los macizos rocosos poseen ciertas características físicas que son función de su origen y de los procesos geológicos posteriores que sobre ellos han actuado. El conjunto de estos fenómenos conduce en un determinado entorno, a una litología particular con unas heterogeneidades debidas a los agregados minerales policristalinos y a las discontinuidades de la matriz rocosa (poros y fisuras); y a una estructura geológica en un estado tensional característico, con un gran número de discontinuidades estructurales (planos de estratificación, fracturas, diaclasas, juntas, etc.).
7.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS 7.1.1.1 Densidad. Las densidades y resistencias de las rocas presentan normalmente una buena correlación. En general, las rocas de baja densidad se deforman y rompen con facilidad, requiriendo un factor de energía relativamente bajo mientras que las rocas densas precisan una mayor cantidad de energía para lograr una fragmentación satisfactoria, así como un buen desplazamiento y esponjamiento. En rocas con alta densidad para que el impulso impartido a la roca por la acción de los gases sea el adecuado, deberán tomarse las siguientes medidas:
7.1.1.2
Aumentar el diámetro de perforación para elevar así la presión de barreno, PB = kxVD2, donde "VD» es la velocidad de detonación del explosivo. Reducir el esquema y modificar la secuencia de encendido. Mejorar la efectividad del retacado con el fin de aumentar el tiempo de actuación de l os gases y hacer que éstos escapen por el frente libre y no por el retacado.
Resistencias dinámicas de las rocas
Las resistencias estáticas a compresión y a tracción se utilizaron en un principio como parámetros indicativos de la aptitud de la roca a la voladura. Así, se definió el índice de Volabilidad (Hino, 1959) como la relación "RC/RT" de modo que a un mayor valor resultaría más fácil fragmentar el material. Cuando la intensidad de la onda de choque supera a la resistencia dinámica a la compresión "RC'" se produce una trituración de la roca circundante a las paredes del barreno por colapso de la estructura intercristalina. Pero esta trituración contribuye muy poco a lo fragmentación y provoca una fuerte disminución de la energía de tensión. Por ello, se recomienda:
Seleccionar explosivos que desarrollen en las paredes del barreno tensiones inferiores o iguales a «RC’”. Provocar una variación de la curva Presión-Tiempc (P-t), por desacoplamiento de la carga dentro de barreno
7.1.1.3 Porosidad Existen dos tipos de porosidad: la intergranular o de formación y la de disolución o postformación. La primera, cuya distribución en el macizo puede considerarse uniforme, provoca dos efectos: PERFORACION Y VOLADURA
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Atenuación de la energía de la onda de choque. Reducción de la resistencia dinámica a la compresión y consecuentemente, incremento de la trituración y porcentaje de finos.
La porosidad de post-formación es la causada por los huecos y cavidades que resultan de la disolución del material rocoso por las aguas subterráneas (karstificación). Los espacios vacíos son mucho mayores y su distribución es menos uniforme que la de la porosidad intergranular. (Llera, Jimeno, Urbina, & Jimeno)
I lu stración 1: Ej ecución corr ecta de la carga de un explosivo
I lu straci ón 2: Val or es típi cos del peso específi co y porosidad de las rocas. F uent e: Gonzal es de Vall ejo, L ui s (2002). Pg. 152. PERFORACION Y VOLADURA
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7.1.1.4 Fricción interna Como las rocas no constituyen un medio elástico, parte de la energía de la onda de tensión que se propaga a través de él se convierte en calor por diversos mecanismos. Estos mecanismos son conocidos por «fricción interna» o «capacidad de amortización específica-SOC», que miden la disponibilidad de las rocas para atenuar la onda de tensión generada por la detonación del explosivo. La «SOC» varía considerablemente con el tipo de roca: desde valores de 0,02-0,06 para los granitos (Windes, 1950; Blair, 1956) hasta los de 0,07-0,33 para areniscas. La SOC aumenta con la porosidad, la permeabilidad, las juntas y el contenido en agua de la roca. También aumenta considerablemente con los niveles meteorizados en función de su espesor y alteración.
7.1.1.5 Conductividad Las fugas o derivaciones de corriente pueden ocurrir cuando los detonadores se colocan dentro de los barrenos en rocas de cierta conductividad, como. Por ejemplo los sulfuros complejos, magnetitas, etc., especialmente cuando las rocas son abrasivas y existe agua en el entorno de la pega. Las medidas que deben tomarse para evitar estos problemas son:
Verificar que los cables de los detonadores disponen del aislamiento plástico en buen estado Que todas las conexiones están debidamente aisladas y protegidas. Para ello se recomienda emplear conectores rápidos.
El fallo de alguno de los detonadores puede afectar considerablemente a los resultados obtenidos en las voladuras. (Llera, Jimeno, Urbina, & Jimeno)
7.1.2 PRINCIPALES PROPIEDADES MECÁNICAS La clasificación de las rocas para usos ingenieriles es una tarea compleja, ya que deben cuantificarse sus propiedades con el fin de emplearlas en los cálculos de diseño. Así, los términos cualitativos de roca dura o resistente, blanda o débil deben acotarse mediante determinados valores de su resistencia a compresión simple: 500 a 1.000 kp/cm2 para una roca dura y 50 a 250 kp/cm2 para una roca blanda. La dificultad para la clasificación geotécnica estriba tanto en el hecho de la alta variabilidad de las propiedades rocosas como en las limitaciones de los métodos y procedimientos para su determinación.
7.1.2.1 Resistencia a la compresión uniaxial La resistencia a compresión simple o resistencia uniaxial es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinada sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio, y viene dada por:
=
=
El valor de la resistencia aporta información sobre las propiedades ingenieriles de las rocas. En la ilustración 3, se incluyen valores de resistencia a compresión simple para diferentes tipos de roca.
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I lu stración 3: valor es de resistencia a la compresión un iax ial de algun as rocas
7.1.2.1.1 Ensayo de compresión simple Este ensayo sirve para determinar la resistencia a la compresión uniaxial de una probeta cilíndrica de altura entere el doble y el triple del diámetro. Además de servir para determinar su resistencia, este ensayo puede proporcionar también las constantes elásticas de la roca, es decir, su módulo de Young y su coeficiente de Poisson. Averiguar la resistencia a compresión simple de una roca es importante por varios motivos:
Permite clasificar las rocas según su resistencia. Es un parámetro importante en los criterios de rotura más utilizados (Mohr-Coulomb y Hoek – Brown) Sirve para estimar la resistencia de los pilares en las explotaciones mineras.
Aunque aparentemente es un ensayo sencillo, su realización, así como la interpretación de los resultados, requieren bastante cuidado. Debido a la heterogeneidad de las probetas de una misma roca, su resistencia a compresión simple puede variar ampliamente.
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I lustración 4: Curvas esfuerzo-deformación.
Hoek y Brown (1980) proponen la siguiente ecuación para describir la relación existente entre la resistencia a compresión uniaxial y el diámetro de la probeta, para diámetros comprendidos entre 10 y 200 mm:
Donde, sc50 es la resistencia a compresión uniaxial de una probeta de 50 mm de diámetro. En los ensayos de compresión de la mayor parte de las rocas la velocidad de carga anteriormente señalada como apropiada, o sea, 0,5 a 1 MPa/s, puede ser alterada ligeramente sin que se produzcan variaciones en los resultados.
I lu stración 5: izquierda: Var iaci ón de la resistencia a compresión simple en fu nci ón de la forma y tamano de la probeta. Derecha: Comportami ento esfu erzo-defor mación en compresión un iax ial corr espondientes a la Clase 1 y Clase I I . Ejemplos para seis tipos de rocas (Wawersick y Fai rh ur st. 1970).
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7.1.2.2 Resistencia a la tensión El concepto de tensión efectiva fue introducido por Terzaghi, en el cual estableció que la resistencia de los suelos saturados, así como su cambio de volumen al ser comprimidas, no dependen de la tensión total aplicada sino de la tensión efectivas, ´, dada por la diferencia entre la tensión aplicada ya la presión de poro u, es decir: ´ = −
Esta teoría es aplicable a las rocas siempre que su estructura porosa esté interconectada y la velocidad de aplicación de la carga sea suficientemente baja para permitir que la presión del fluido interno se equilibre en los poros. Hay que aclarar que la tensión de corte T no se ve afectada por la presión de poro u, ya que dicha tensión es función de la diferencia entre las tensiones principales mayor y menor. ´ = − ´2 = 2 − = (´1 −´2 ) = 1 (1 −2 ) 7.1.2.3
Módulo de elasticidad de Young
Las fórmulas más clásicas son las de Bieniawski (1978) y Serafim y Pereira (1983) que se expresan respectivamente con las siguientes ecuaciones:
Donde EM es el módulo de Young del macizo rocoso. La primera de estas fórmulas tendría su ámbito de validez para 60
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Recientemente ha surgido una nueva fórmula interesante para obtener este parámetro. Barton (2002) propone estimarlo a partir del parámetro denominado Qc que se puede obtener en función del índice Q y la resistencia a compresión simple de la roca sc mediante la expresión:
Ramamurthy (1986) propuso, a partir de observaciones, unas expresiones aplicables a macizos rocosos estratificados y relativamente poco resistentes en las que el módulo de deformación del macizo rocoso se relaciona con el de la roca ER (obtenido en laboratorio a partir de ensayos de módulos estándar) y con el RMR. La primera de ellas se refiere a macizos rocosos con discontinuidades predominantemente horizontales y la segunda con juntas inclinadas de 45º a 65º:
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I lu stración 6: Cálcul o de las constantes elásticas de la roca: módulo de Young, E,. F uente: V all ejo, 2004. Pag: 168
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7.1.2.4 Estimación del coeficiente de Poisson del macizo rocoso. En lo que concierne al coeficiente de Poisson del macizo rocoso, hay que señalar que su influencia sobre los resultados de las simulaciones suele ser bastante pequeña, al mismo tiempo que lo es su gama de variabilidad natural (0.15-0.45), por lo que no se suele prestar demasiada atención a su estimación. Aunque de forma solamente estimativa, el valor del coeficiente de Poisson de un macizo rocoso a través de las tablas generales de macizos de Hoek y Brown (1985) (tabla de la ilustración 5) y a veces en macizos rocosos de buena calidad se admite que es el mismo que el de la roca intacta tal y como se obtiene a partir de los ensayos de laboratorio ( = )
I lu stración 7: Tabla estimativa de las constantes mms/mi, s, a, módul o de Young, Coeficiente del Poisson, y GSI
7.1.2.5 Velocidad de propagación de ondas ultrasónicas La medida de la velocidad propagación de ondas ultrasónicas de compresión (P) y cizalladura (S) en una roca proporciona información sobre su porosidad y microfracturación; también puede detectar la alteración de la matriz rocosa policristalina. Debido a que tanto la porosidad como la microfracturación de una roca pueden estar orientadas según direcciones preferentes, la velocidad de las ondas ultrasónicas puede variar en consonancia. Ya que, en la mayoría de las rocas, la fase sólida se puede considerar elástica, si no existiera huecos la propagación de las ondas P y S sería un fenómeno puramente elástico. En este caso, la velocidad de propagación de una onda P es función de las constantes elásticas y de la densidad de la roca y es independiente de la fuerza que ha producido la perturbación y de su duración:
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Donde,
E es el módulo elástico de la roca u es el coeficiente de Poisson de la roca p es la densidad de la roca
El índice de continuidad de una roca se calcula dividiendo el valor teórico de la velocidad que, de acuerdo con su composición mineralógica, deberían tener las ondas P (ver ilustración 7) por la velocidad real:
Donde, IC es el índice de continuidad. Vp es la velocidad real de las ondas P. VP.T. es la velocidad teórica de las ondas P según la composición mineralógica de la roca. Cuanto mayor es la fracturación o la porosidad de una roca menor es su índice de continuidad, ya que la velocidad de las ondas P se ve afectada negativamente. (Oyanguren & Monge, 2009) La velocidad teórica de propagación se calcula mediante la siguiente fórmula:
Donde, Ci son las concentraciones en tanto por uno de los minerales contenidos en la roca. Vp1 son las velocidades de las ondas P en cada uno de los minerales (Ilustración 7).
I lu stración 8: Densidad y velocidad de propagación de ondas de compresión de algu nos mineral es (AF TES, 2003)
La velocidad de las ondas de corte Vs es aproximadamente dos tercios de la velocidad Vp de
las ondas longitudinales. Los módulos elásticos dinámicos del macizo, Ed y Vd se obtienen a partir de las formulas:
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Donde p es la densidad del material rocoso (kg/m3) y Vp y Vd son las velocidades de las ondas longitudinales y de cizalla (m/s):
El valor del módulo de deformación dinámico Ed es mayor que el determinado a partir de ensayos de compresión uniaxial, ya que la rápida aplicación de esfuerzos de baja magnitud hace que la roca tenga un comportamiento puramente elástico. El valor de Vp, además de correlacionarse linealmente con la deformabilidad de la roca, es indicativo de su calidad, como se describe en el Apartado 3.2, al estar relacionado con propiedades como la porosidad y la resistencia a compresión simple (Ilustración 8). El coeficiente de Poisson no presenta una relación definida con Vp. (Vallejo, 2004)
I lu stración 9: Relacion es entre la velocidad de las ondas sóni cas y la r esistencia a compr esión simple (modi fi cado de Joh nson y De Graff . 1988). F uente: Vall ejo, 2004. Pag: 176
7.1.2.6 Densidad En función de cómo se encuentre la roca, se puede distinguir la densidad natural y la densidad seca. La denominada densidad natural o húmeda es la relación entre la masa de una muestra de roca en su estado natural, o sea, con un cierto contenido de humedad, y el volumen que ocupa: =
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Donde, = densidad natural m = masa de la muestra v = volumen de la muestra Cuando la muestra de roca se ha secado previamente en una estufa a una temperatura de 110ºC, su densidad se denomina seca: =
Donde, = densidad seca = masa seca = volumen seco
El volumen natural o seco de una muestra de roca es la suma del volumen que ocupan las partículas sólidas más el de los poros, por este motivo tiene sentido hablar de la densidad de las partículas (granos o cristales) de la roca, que está claramente relacionada con su composición mineralógica. Para determinarla es necesario moler una determinada masa de roca y medir, con la ayuda de un picnómetro el volumen ocupado por las partículas: =
Donde, = densidad de las partículas = masa de la muestra de roca = volumen de las partículas En la ilustración 7 se presentan las densidades de los minerales más corrientes.
7.1.2.7 CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS Las tres clasificaciones más utilizadas actualmente son la de Bieniawski (RMR), la de Barton, Lien y Lunde (Q) y la de Hoek-Brown (GSI). Las dos primeras utilizan un parámetro, RQD (Rock Quality Designation), que constituye la base de la clasificación de Deere. A continuación se describen estas cuatro clasificaciones. 7.1.2.7.1
Clasificación de Deere (1967)
Para ir dando respuesta a las dificultades planteadas por las cl asificaciones primitivas utilizadas para estimar entibaciones de túneles, fueron surgiendo otras clasificaciones, como la de Deere, que en 1967 propuso un sistema de diseño de sostenimientos basado en el RQD. Este parámetro se obtiene a partir del porcentaje de trozos de testigo mayores de 10 cm recuperado en un sondeo y permite estimar el grado de fracturación del macizo rocoso. El RQD hay que tomarlo con las debidas precauciones, ya que su valor depende no sólo de la fracturación del macizo rocoso sino también de otros factores, como la técnica del sondeo, su dirección, diámetro, etc.
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I lu stración 10: E stimación del R.Q.D. a par tir de testigos de sondeo. Fotogr afía y montaje: David Córdova. Fu ente: (Oyangur en & M onge, 2009)
A veces hay que estimar el RQD a partir de datos en afloramientos, al no disponer de sondeos. En estos casos, se puede utilizar la siguiente relación (Palmstrom, 2005), aunque su precisión no es superior a la que puede proporcionar una mera estimación visual (Bieniawski, 2003): RQD =110 - 2,5× Jv Donde Jv es el índice volumétrico de juntas o número de juntas por metro cúbico.
I lu stración 11: Estimación del Jv y clasif icación del tamañ o de bloque en f unci ón de espaciados de j un tas y número de fam il ias observadas en campo. . F uent e: (Oyan gur en & Mon ge, 2009)
Según su RQD, Deere clasificó los macizos rocosos en 6 grupos y propuso distintos sostenimientos en función de la calidad del macizo y del método de excavación utilizado.
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7.1.2.7.2
Clasificación de Bieniawski (1973, 1976, 1989)
Esta clasificación se desarrolló inicialmente a partir de la experiencia en obras realizadas en África del Sur. Su aplicación no tiene apenas limitaciones, excepto en rocas expansivas y fluyentes donde no es aconsejable su uso. 7.1.2.7.2.1
Obtención del índice RMR
Para determinar la calidad del macizo rocoso, se divide éste en dominios estructurales, es decir, en zonas delimitadas por discontinuidades geológicas, dentro de las cuales la estructura es prácticamente homogénea. La estructura del macizo comprende el conjunto de fallas, diaclasas, pliegues y demás características geológicas propias de una determinada región. El índice que define la clasificación es el denominado RMR (Rock Mass Rating), que evalúa la calidad del macizo rocoso a partir de los parámetros siguientes:
Resistencia a compresión simple del material rocoso. En la Tabla 5.1. se presenta una estimación de las resistencias medias de ciertas rocas según Bieniawski, 1973.
I lu stración 12: estimaci ón de l as resistencias medias de ciertas rocas según B ieni awski , 1973
RQD. Este parámetro, que se considera de interés para seleccionar el revestimiento de los
túneles, se ha definido anteriormente al tratar sobre la clasificación de Deere (1967).
Espaciado de las juntas. El término junta se refiere a las discontinuidades estructurales: fallas,
diaclasas, planos de estratificación, etc., y su espaciado es la distancia media entre los planos de discontinuidad de cada familia, es decir, de cada conjunto con las mismas características geomecánicas. Entre este parámetro y el anterior existe una relación clara, por lo que a no ser por razones históricas, o sea por la abundante información relacionada con el RQD que existía antes de la aparición de las clasificaciones geomecánicas RMR y Q, quizás éstas no habrían incluido el RQD. La resistencia del macizo rocoso se va reduciendo al aumentar el número de juntas, o sea, cuando disminuyen los espaciados de cada familia. En la ilustración 13, se muestra gráficamente la variación de resistencia del macizo, en función del espaciado de las juntas y de la resistencia a PERFORACION Y VOLADURA
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compresión simple del material rocoso. Existen muchas clasificaciones del espaciado de las juntas. La utilizada por Bieniawski es la propuesta por Deere en su clasificación de 1967 que se presenta en la ilustración 12.
I lu stración 13: Cl asifi cación de Deere (1967) del espaciado de las ju ntas
I lu stración 14: Var iaci ón de la r esistencia del macizo rocoso en fu nción del espaciado de las jun tas y de la r esistencia a compresión simple de la r oca (Bieni awski , 1976).
Naturaleza de las juntas . Para describir el estado de las juntas se utilizan los siguientes
parámetros: Apertura entre los labios de la discontinuidad. Continuidad (dimensiones) de la junta según rumbo y buzamiento. Rugosidad de los labios. Resistencia de la roca en los labios de la discontinuidad. Relleno de la junta.
Presencia de agua. En un macizo rocoso diaclasado, el agua tiene mucha influencia en su
comportamiento, debiendo estimarse el flujo de agua en litros/min. cada 10 m de túnel. La descripción utilizada es la siguiente: completamente seco, húmedo, agua a presión moderada yagua a presión fuerte.
Orientación de las discontinuidades. La orientación de las discontinuidades respecto al eje de
la estructura subterránea es un factor de suma importancia para determinar el sostenimiento necesario. La correcta orientación de la cavidad puede hacer descender claramente las necesidades de entibación. La clasificación dada por Bieniawski referente a orientaciones relativas entre las discontinuidades y el eje de la cavidad, se presenta en la ilustración 14. PERFORACION Y VOLADURA
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I lu stración 15: Or ientacion es relati vas entre las jun tas y el eje de la cavidad
Después de haber definido los 6 parámetros de la clasificación de Bieniawski, se determina la categoría del macizo rocoso. Se parte de un denominado “valor primario” de calidad que es igual a la
suma de los cinco primeros parámetros, cuyos valores se definen en la (ilustración 15). La versión presentada en esta tabla es la de 1989, actualmente en uso. Para diseñar el sostenimiento de un túnel, este valor primario se modifica en función del último parámetro descrito, es decir, orientación de las discontinuidades (ilustración 18). Así se obtiene el RMR del macizo rocoso. Dependiendo del valor total del RMR, se clasifican los macizos rocosos en cinco categorías (ver ilustración 17). En la ilustración 16 se muestran, para túneles, los tiempos durante los cuales se mantienen estables las longitudes sin revestir indicadas. También se presentan las cohesiones y fricciones estimadas de los macizos rocosos en cada una de las cinco clases.
I lu stración 16: Parámetros de clasifi cación y sus valor es
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I lu stración 17: Determin ación de la clase del macizo rocoso
I lu stración 18: Signi fi cado de las clases de macizos rocosos
I lu stración 19: Aj uste de valor es por l as ori entaciones de las ju ntas
7.1.2.8 CLASIFICACIÓN DE BARTON ET AL. (1974) 7.1.2.8.1 Definición del índice de calidad Q En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de calidad Q, basado en los 6 parámetros siguientes:
RQD “Rock Quality Designation”.
Jn Número de familias juntas. Jr Rugosidad de las juntas. Ja Meteorización de las juntas. Jw Coeficiente reductor que tiene en cuenta la presencia de agua.
SRF “Stress Reduction Factor”, factor dependiente principalmente de las tensiones existentes
en el macizo rocoso. El valor de los parámetros Jr y Ja depende también de la presencia de relleno y del tamaño de las juntas. Mediante los parámetros indicados, se define la calidad del macizo rocoso de la siguiente manera:
El primer cociente, RQD/Jn, representa el tamaño de los bloques.
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Jr/Ja permite estimar la resistencia al corte entre bloques. Jw/SRF indica el estado tensiones en el macizo rocoso.
En las siguientes ilustraciones se presentan los valores de todos los parámetros que se han venido describiendo anteriormente.
I lu stración 21: Número de fami li as de Jun tas. Jn
I lu straci ón 20: Repr esentaci ón esquemáti ca de las propi edades geomé tr i cas de las di sconti nu idades (H udson. 1969) .
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I lu stración 22: Meteorización de las junt as. Ja
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I lustración 23: M eteori zación de las ju ntas. Ja
I lustración 24: Agua en las juntas. Jw
I lu stración 25: Tensiones en l a excavación. S.R.F . PERFORACION Y VOLADURA
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7.1.2.8.1.1
Correlación del Q vs requerimiento de sostenimiento
En relación al valor del índice Q a la necesidades de apoyo de las excavaciones subterráneas de la estabilidad y, Barton et al (1974) define un parámetro adicional a la que llamaron la dimensión equivalente, De, de la excavación. Esta dimensión se obtiene dividiendo el lapso, diámetro o pared de la altura de la excavación por una cantidad llamada la relación de excavación Apoyo, ESR. Por lo tanto:
El valor de ESR se relaciona con el uso previsto de la excavación y para el grado de seguridad que se exige del sistema de soporte instalado para mantener la estabilidad de la excavación. Barton et al (1974) sugieren los siguientes valores:
I lu straci ón 26: categoría excavaci ón ESR
I lu straci ón 27: Cat egorías de sosteni mi ento estimadas en bas al índi ce Q (Según Gr im stad y Bar ton 1993 )
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Categorías de refuerzo: 1) Sin sostenimiento. 2) Empernado puntual. 3) Empernado sistemático. 4) Empernado sistemático con 40 – 100 mm de shotcrete sin esfuerzo. 5) Shotcrete reforzado con fibra, de 50 – 90 mm, y empernado 6) Shotcrete reforzado con fibra, de 90 – 120 mm y empernado. 7) Shotcrete reforzado con fibra, 120 – 150 mm y empernado. 8) Shotcrete reforzado con fibra, >150 mm, con cerchas reforzadas de shotcrete y empernado. 9) Revestimiento de concreto moldeado. A continuación se presenta las correlaciones entre el RMR y Q obtenidas por algunos investigadores. RMR = 9 log Q + 44 Bieniawski (1976) RMR = 13.5 log Q + 43 Ruteledge (1978) RMR =12.5 log Q + 55.2 Moreno (1980) RMR =10.53 ln Q + 41.83 Abad et al. (1983)
Barton et al. (1980) proporcionaron también información adicional sobre la longitud de los pernos, abiertos máximos sin sostenimiento y presiones del sostenimiento, para complementar las recomendaciones del sostenimiento publicado en el artículo original de 1974. La longitud L de los pernos de roca puede ser estimada a partir del ancho de la excavación B y la Relación de Sostenimiento de la Excavación ESR:
Basado en el análisis de casos registrados, Grimstad y Barton (1993) sugirieron que la relación entre el valor de Q y la presión del sostenimiento permanente Ptecho es estimada a partir de:
Los rangos de variación de los parámetros son los siguientes:
Considerando los intervalos de variación de los valores que definen los seis parámetros del índice de calidad Q del macizo rocoso, se deduce que éste oscila entre 10-3 y 103. Según los valores de Q, se clasifican los macizos rocosos en nueve categorías.
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I lu stración 28: Clasif icación de Barton et al. (1974) de los macizos ro cosos. Ti pos de macizos rocosos.
7.1.2.9 La clasificación GSI (Geological Strength Index). El GSI es un índice de calidad de macizos rocosos que ha sido desarrollado para poder estimar los parámetros mb y s de la clasificación de Hoek-Brown (1980). Dichos autores pensaron que un criterio de rotura de macizos rocosos no podía considerarse sólido si no se relacionaba con una clasificación geomecánica. Aunque cuando se desarrolló este criterio de rotura existían ya las clasificaciones RMR (Bieniawski, 1973) y Q (Barton et al., 1973) Hoek y Brown consideraron que éstas habían sido creadas para estimar el sostenimiento de túneles y excavaciones subterráneas, por lo que incluyen parámetros que no son necesarios para estimar las propiedades de un macizo rocoso que deben ser incluidas en un criterio de rotura. En particular, en lo que respecta al RMR, son dos los parámetros que intervienen en esta clasificación que no se han considerado necesarios en el GSI: las condiciones del agua subterránea y la orientación de la estructura geológica. En el caso de la clasificación de Barton et al. (1974), los parámetros que no se consideraron no adecuados fueron: las características del agua subterránea y el estado tensional (SRF). Los mencionados parámetros no deben ser incluidos en un criterio de rotura porque los cálculos tensionales se realizan en tensiones efectivas, o sea, incorporan ya la presión del agua y, por supuesto, las tensiones existentes en el macizo rocoso. La clasificación GSI se basa en una observación cuidadosa del macizo rocoso y, por consiguiente, es esencialmente cualitativa. Este índice incorpora la estructura del mismo y las características geomecánicas de las superficies de discontinuidad existentes en él y se obtiene a partir de un examen visual del macizo rocoso en afloramientos y sondeos. El GSI combina los dos aspectos fundamentales del comportamiento de los macizos rocosos, es decir: su fracturación, o sea, el tamaño y la forma de los bloques, y la resistencia al corte de las discontinuidades. En la etapa inicial del GSI, los creadores de esta clasificación propusieron (Hoek y Brown, 1997) estimar el GSI a partir del RMR y Q, realizando algunas correcciones en estos índices. Actualmente se considera que esta forma de proceder puede resultar correcta solamente en los macizos rocosos de mejor calidad pero que puede carecer de sentido en los de calidad baja. No se recomienda (Marinos et al., 2005) utilizar la correlación que se presenta a continuación en macizos rocosos débiles y heterogéneos, con GSI <35. En los macizos rocosos de mejor calidad el GSI se puede estimar directamente a partir de la versión de 1976 del RMR, pero valorando con un 10 (macizo rocoso seco) el parámetro correspondiente al agua y con un cero el que recoge el efecto de la orientación de las discontinuidades (orientación muy favorable). Si se utiliza la versión de 1989 del RMR de Bieniawski, GSI=RMR’89 -5, habiendo asignado un valor de 15 al parámetro que representan la influencia del agua y de cero, como cuando se utiliza el RMR’76, al de orientación de las juntas.
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I lu stración 29: Estimadón del índice GSI en base a descri pdones geológicas (Hoek y Br own. 1997).
7.1.2.9.1 Ejemplos de aplicación: (el desarrollo se hará el día de exposición) 7.1.2.9.1.1 Ejemplo de clasificación RMR
7.1.2.9.1.2 Ejemplo de aplicación Q
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8 CONCLUSIONES
La resistencia a la compresión simple o resistencia uniaxial es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinada sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio.
El ensayo de compresión simple sirve para determinar la resistencia a la compresión uniaxial de una probeta cilíndrica de altura entere el doble y el triple del diámetro. Además de servir para determinar su resistencia, este ensayo puede proporcionar también las constantes elásticas de la roca, es decir, su módulo de Young y su coeficiente de Poisson.
En lo que concierne al coeficiente de Poisson del macizo rocoso, hay que señalar que su influencia sobre los resultados de las simulaciones suele ser bastante pequeña, al mismo tiempo que lo es su gama de variabilidad natural (0.15-0.45), por lo que no se suele prestar demasiada atención a su estimación.
La medida de la velocidad propagación de ondas ultrasónicas de compresión (P) y cizalladura (S) en una roca proporciona información sobre su porosidad y microfracturación; también puede detectar la alteración de la matriz rocosa policristalina.
Las tres clasificaciones más utilizadas actualmente son la de Bieniawski (RMR), la de Barton, Lien y Lunde (Q) y la de Hoek-Brown (GSI). Las dos primeras utilizan un parámetro, RQD (Rock Quality Designation), que constituye la base de la clasificación de Deere. A continuación se describen estas cuatro clasificaciones.
El RQD es un parámetro que se obtiene a partir del porcentaje de trozos de testigo mayores de 10 cm recuperado en un sondeo y permite estimar el grado de fracturación del macizo rocoso.
E índice Q es un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite establecer sistemas de sostenimientos para túneles y cavernas. El sistema Q está basado en la evaluación numérica de seis parámetros que definen el índice Q.
El GSI es un índice de calidad de macizos rocosos que ha sido desarrollado para poder estimar los parámetros mb y s de la clasificación de Hoek-Brown (1980).
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9 BIBLIOGRAFÍA Llera, D. J., Jimeno, D. C., Urbina, D. F., & Jimeno, D. E. (s.f.). Manual de Perforacion y Voladura de Rocas. España: Compobell S. A. Oyanguren, P. R., & Monge, L. A. (2009). Mecanica de Rocas: fundamentos e Ingenieria de Taludes. España: Universidad Politecnica de Madrid. Recuperado el 19 de junio de 2015 resousers, a. (4 de agosto de 2014). esri. Obtenido de http://resources.arcgis.com/es/help/main/10.2/index.html#/na/0031000000nz000000/ Vallejo, L. I. (2004). Ingenieria Geologica. Madrid: Pearson Eduacacion S. A.
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10 ANEXOS
An exo 2: Clasif icación de las rocas a parti r de su resistencia a compresión simpl e
Anexo 1: Clasif icaci ón de las r ocas basada en el módulo relati vo El ac. Se establecen t res categorías en fu nción del m ódulo relati vo: elevado, medio (entr e 200 y 500) y bajo (modif icado de Deere y Mi ll er. 1966: en Attewell y F armer. 1976).
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