Giovanni VegaIngeniero Civil en Minas

Desde comienzos de los años 70 se haextendido el uso de sistemas de calificación yclasificación geotécnica de macizos rocosos,los que emplean un índice de calidadgeotécnica para calificar el macizo rocoso y,de acuerdo a esta calificación o rating,clasificarlo según su calidad geotécnica.

Actualmente los sistemas de calificación y clasificacióngeotécnica de macizos rocosos mas usados en la industriaminera son los siguientes (ordenados de mas a menosfrecuente):

-Calificación del macizo rocoso según los índices RMR y MRMR(Laubscher 1975)

-Calificación del macizo rocoso según el índice Q(Barton, 1974)

-Calificación del macizo rocoso según el índice RMR(Bieniawski, 1973)

-Método del índice de resistencia geológica, GSI (Hoek, 1994)

Salvo el método del índice de resistenciageológica, todos estos sistemas sedesarrollaron con el propósito de evaluar lacondición de estabilidad y requerimientos defortificación de excavaciones subterráneas, ycalifican el macizo rocoso considerandobásicamente tres parámetros:

Parámetro A

La resistencia de los bloques de roca que conforman elmacizo rocoso (la resistencia de la roca --pequeña-- ,no del macizo rocoso --grande-- ), en términos de sumagnitud absoluta (Bieniawski, 1973) o bien entérminos de su magnitud relativa respecto al estadotensional in situ e inducido (Barton. 1974). En generalno se explica si se trata de una definición en términosde esfuerzos efectivos o totales (salvo Barton, 19774que definen un esfuerzo activo) pero comúnmente setrata de esfuerzos activos.

Parámetro B

La “blococidad” del macizo rocoso, definidaen forma indirecta mediante variablesasociadas al grado de fracturamiento y/oespaciamiento de las estructuras del macizorocoso.

Parámetro C

La condición de las discontinuidades quedefinen los bloques y, al mismo tiempo, lacondición de contacto entre estos. Definidaconsiderando una serie de variablesgeologico-geotecnicas de tipo cualitativo.

El método del índice de resistencia geológicase desarrollo con el propósito de escalar laresistencia del macizo rocoso, definida deacuerdo al criterio de Hoek-Brown. Conformecon esto, este método solo considera losparámetros B (blocosidad del macizo rocoso)y C (condición de las discontinuidades) eignora el parámetro A, Ya que la resistencia dela roca es parte de la información de entradaen el criterio de Hoek-Brown.

Conforme con lo anterior, puede señalarseque estos métodos se han desarrolladosuponiendo que el macizo rocoso seencuentra fracturado o intersecado pordiscontinuidades que definen bloques que,implícitamente, no conforman un conjuntomasivo.

Por lo tanto, el caso de un macizo rocoso masivo corresponde a una condicion extrema para estos metodos y, por lo tanto, a veces dificil de calificar con el detalle suficiente que permita diferenciar entre distintos tipos litologicos.

Fue desarrollado por John Deere (Deere 1967)para proporcionar una estimación cuantitativa dela calidad del macizo rocoso en función de losregistros (core samples) de perforación.

RQD se define como el porcentaje de “coresamples” intactos, de mas de 100 mm (4pulgadas) de la longitud total de la muestra. Elnúcleo debe ser de al menos del tamaño de (54,7mm o 2,15 pulgadas de diámetro) y debe serperforado con un núcleo de doble tubo.

Este método fue desarrollado por Barton en el instituto Geotécnico de noruega (NGI) con la ayuda de Lien y Lunde, el cual es basado en varios cientos de túneles.

Esta clasificación consiste en dar al terreno una serie de parámetros que sustituiremos en una fórmula para finalmente determinar un índice denominado Q, con el cual podremos diseñar el sostenimiento adecuado para una excavación (túnel).

Q= RQD/Jn x Jr/Ja x Jw/SRF

Donde: Jn: Numero de diaclasas o fisuras (Tabla 2)

Jr: Numero que valora la rugosidad de las juntas (Tabla 1)

Ja: Valor que indica el grado de alteración de las fisuras (Tabla 4)

Jw: Factor de reducción de agua en las fisuras (Tabla 3)

SFR: Factor de reducción de esfuerzos que depende del estado tensional de la roca (Tabla 5)

Jn, Jr, Ja se aplican a las juntas estructuralmente más desfavorables.

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el número de familias, Jn varían entre el 0,5 y el 20.

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el coeficiente de rugosidad de las juntas, Jr varían entre 4 a 0,5 (tabla 1)

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el coeficiente de alteración de las juntas, Ja.

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el coeficiente reductor por la presencia de agua, Jwvaría de 0,05 a 1.

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el factor de reducción de esfuerzos, SRF varían entre 0,5 al 20.

La estimación de los parámetros del Q de Barton según el Rock Quality designation, RQD varia de 0 a 100.

Las tablas de clasificación del índice Q varían desde 0,01 hasta 1000.

Esta ecuación representa crudamente eltamaño de los bloques presentes.

Esta ecuación representa la rugosidad ycaracterísticas de resistencia al corte de lasdiaclasas (paredes o rellenos).

Esta ecuación representa las tensionesactivas, presión de agua y estado tensionalpara distintos tipos de macizos encontradosdurante la excavación.

Tabla 1: Rugosidad de las juntas

Tabla 2: Número de familias

Tabla 3: Coeficiente reductor por la presencia de agua.

Tabla 4: Coeficiente de alteración de las juntas

Tabla 5: de SRF

Table 6: RQD (Rock Quality Designation)

Tabla 7: Q (Rock Mass Quality)

Al analizar el grafico de Q de Barton de calidad de la roca,se deben considerar el diámetro equivalente “De”, quecorresponde a la relación entre las dimensiones de la labory “ESR” y el valor de Q de Barton “Q”, al trabajar con estosdos valores e interceptarlos en el grafico se obtendráncaracterísticas tales como; el espaciamiento entresistemas de refuerzos, la longitud del sistema de refuerzo,el tipo de refuerzo necesario, la necesidad de adicionarshotcrete al sistema de refuerzo y el espesor de este.

Al determinar el espaciamiento de pernos se debeconsiderar también si se encuentra en zonas con o sinhormigón.

El índice de clasificación geomecánica paramacizos rocosos fue desarrollado porBieniawski en el año 1989, luego de variasmodificaciones previas.

Este índice constituye un sistema declasificación de macizos rocosos que permitea su vez relacionar índices de calidad conparámetros de diseño y de sostenimiento detúneles.

El parámetro que define la clasificación, es eldenominado índice RMR (ROCK MASS RATING),que indica la calidad del macizo rocoso en cadadominio estructural a partir de los siguientesparámetros:

Resistencia a la compresión simple de la matrizrocosa.

R.Q.D. Grado de fracturación del macizo rocoso.

Espaciado de las discontinuidades.

Condiciones de las discontinuidades, el cualconsiste en considerar los siguientes parámetros:

▪ Abertura de las caras de la discontinuidad.

▪ Continuidad o persistencia de la discontinuidad.

▪ Rugosidad.

▪ Alteración de la discontinuidad.

▪ Relleno de las discontinuidades.

Presencia del Agua, en un macizo rocoso, el aguatiene gran influencia sobre su comportamiento, ladescripción utilizada para este criterio son:completamente seco, húmedo, agua a presiónmoderada y agua a presión fuerte.

Orientación de las discontinuidades.

Para obtener el Índice RMR de Bieniawski se realiza losiguiente:

Se suma los 5 variables o parámetros calculados, eso da comoresultado un valor índice (RMR básico).

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

Donde:P(x): Es el puntaje asociado al parámetro x.UCS: Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta.RQD: Designación de la calidad de la roca definida porDeere (1967).S: Es el espaciamiento entre las estructuras.JC: Es la condición de las estructuras.WC: Es la condición de aguas.

El parámetro 6 que se refiere a la orientación de las discontinuidades respecto a la excavación.

RMR = RMR (básico) – RMR (ajustado por el efecto de la orientación de las estructuras).

RESISTENCIA DE LA ROCA INTACTA

Tiene una valoraciòn màxima de 15 puntos, y puede utilizarse como criterio el resultado del ensayo resistencia a compresiòn simpre o bien el ensayo de carga puntual (Point Load).

Resistencia de algunas rocas sanas en (MPa)

Gráfico para calcular el

parámetro de Resistencia a la

Compresión Simple

Calculo RQD

Separación de las dicontinuidades

Tiene una valoración máxima de 20 puntos. El parámetro considerado es la separación en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas la de roca

La separación o el espaciamiento de las discontinuidades están clasificados según la tabla que a continuación se observa:

Gráfico Para calcular el parámetro del espaciamiento de las discontinuidades

Condiciones de las discontinuidades

Aberturas de las discontinuidades.

Continuidad o persistencia de las discontinuidades.

Rugosidad de las discontinuidades.

Relleno de las discontinuidades

Alteración de las discontinuidades

PRESENCIA DEL AGUA Para calcular la valoración según la presencia del agua

se toma como referencia la tabla que a continuación se especifica. Tabla para obtener el parámetro de la presencia del agua

Todo lo anterior permite calcular el valor in situ del índice RMR, lo que define la calidad geotécnica de los macizos rocosos en una escala que varía de 0 a 100, y considera 5 clases:

Macizos rocosos de calidad muy mala (Clase V, 0≤RMR≤20)

Macizos rocosos de calidad mala (Clase IV, 20<RMR≤40)

Macizos rocosos de calidad regular (Clase III, 40<RMR≤60)

Macizos rocosos de calidad buena (Clase II, 60<RMR≤80)

Macizos rocosos de calidad muy buena (Clase I, 80<RMR≤100)

CORRECCION POR ORIENTACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES.

Para la valoración de este parámetro se debe clasificar la roca de acuerdo al rumbo y buzamiento con respecto a la obra civil que se va a ejecutar, esta clasificación se especifica a continuación:

Tabla de clasificación para la determinación de los buzamientos con respecto al efecto relativo con relación al eje de la obra.

•CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO CON RELACIÓN AL ÍNDICE RMR

Consiste principalmente en cambios y modificacionesrealizadas a la clasificación geomecánica original (Clasificación propuesta por Bieniawski)

Entrega un puntaje que varía entre cero y cien [0 - 100] dependiendo de la calidad de la roca

Depende de tres factores estimativos: Puntaje asociado a la roca intacta

Cantidad de discontinuidades

Condición de discontinuidades

Puntaje asociado a la resistencia de la roca intacta, se determinamediante la resistencia máxima que tiene la roca a lacompresión en Mpa.

Puntaje asociado a la frecuencia de fracturas, sedetermina por la cantidad de sistemas estructurales y lafrecuencia de fracturas.

Puntaje asociado a la condición de las discontinuidades, existendos casos:

• discontinuidades abiertas o con rellenos no cementados• discontinuidades selladas o con rellenos cementados

EJEMPLO

En una galería de 4,5 x 4,5 seenvió un tipo de roca intacta alaboratorio, donde se determinóque ésta tenía un ensayo conresistencia de 45 Mpa.

Se considera una condición húmeda, donde sus discontinuidades son abiertas, su sinuosidad es recta y posee una rugosidad de carácter plana y lisa, roca no alterada en la caja de la discontinuidad y el relleno no cementado corresponde a calcita (Dureza 3 a 4)

Se determinóque ésta teníaun ensayo conresistencia de45 Mpa

Por lo tanto nuestro P(IRS) tiene puntaje 6

FF= 1 ; n= 2 sistemasP(ff,n) = 28 puntos

Discontinuidades conrelleno no cementado

Condición húmeda

Sinuosidad recta

Rugosidad plana y lisa

Roca no alterada en lacaja de laDiscontinuidad

Relleno no cementado(Dureza 3 a 4)

P (CD) = A x B x C x D x 40

0.77

0.55

1.00

O.90

P(CD)= 0.77 x 0.55 x 1.0 x 0.9 x 40 = 15.246

P(IRS) = 6

P(FF,n) = 28

P(CD) = 15.246

RMR = 6 + 26 + 15.246

RMR = 49.278

RMR = 3B

TABLA X

TECNICAS DE SOPORTE REFUERZO DE ROCAS

a) Apernado local en las intersecciones de las fracturas b) Tornillos con 1 centímetro de espacio libre c) B y correas y malla si la roca está finamente articulada d) B y malla, tornillos de hormigón reforzado con fibra de acero como

freno lateral e) D y cintas en contacto con o en concreto f) E y cables de acero como freno lateral y de refuerzo g) F y fijación h) Derrame i) Lechada

REVESTIMIENTO RIGIDO j) Madera k) Conjunto de acero rígido l) Hormigón macizo m) K y hormigón n) Hormigón estructuralmente reforzado Baja deformación: (J a M)

REVESTIMIENTO BLANDO, TÉCNICA DE REPARACION, ALTA DEFORMACIÓN o) Revestimiento de marcos de acero p) Conjunto de revestimiento

RELLENO

q) Relleno

Control de roturas

r) Pernos y malla entrelazada

REEMPLAZO DE ROCAS

s) Reemplazo de roca por un material más firme

t) Evitar el desarrollo si es posible

El índice de resistencia geológica GSI, fuedesarrollado por Hoek (1994) para subsanarproblemas detectados con el uso del índiceRMR para evaluar la resistencia de macizosrocosos según el criterio generalizado deHoek-Brown.

Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:

RMS: Es la estructura del macizo rocoso, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón.

JC: Es la condición de las estructuras (discontinuidades) presentes en el macizo rocoso.

La evaluación del índice GSI se hace porcomparación del caso que interesa con lascondiciones típicas que muestran en la Figura 1 yeste índice puede variar de 0 a 100, lo quepermite definir 5 clases de macizos rocosos:

Macizos de calidad Muy Mala (0 ≤ GSI ≤ 20). Macizos de calidad Mala (30 ≤ GSI ≤ 40). Macizos de calidad Regular (40 ≤ GSI ≤ 60). Macizos de calidad Buena (60 ≤ GSI ≤ 80). Macizos de calidad Muy Buena (90 ≤ GSI ≤ 100).

Respecto a la precisión de la calificación delmacizo rocoso mediante el índice GSI, puedeconsiderarse lo siguiente:

Calidad Muy Mala (0 ≤ GSI ≤ 20) -> ΔGSI ≈ ± 5

Calidad Mala (30 ≤ GSI ≤ 40) -> ΔGSI ≈ ± 5

Calidad Regular (40 ≤ GSI ≤ 60) -> ΔGSI ≈ ± 5

Calidad Buena (60 ≤ GSI ≤ 80) -> ΔGSI ≈ ± 5

Calidad Muy Buena (90 ≤ GSI ≤ 100) -> ΔGSI ≈ ± 5

Cálculos

La determinación directa en terreno del índice GSI norequiere de cálculos, ya que el valor GSI se obtienedirectamente de la carta Figura 1, por comparación dela situación in situ con los casos que se muestran enesta carta. Sin embargo, en la practica este métodoconsidera una ventana de mapeo y no es aplicable almapeo geotécnico de sondajes, por lo que esnecesario utilizar otro sistema de calificación para elmapeo de sondajes (RMR Bieniawski), y luegotransformar los resultados a valores de GSI conforme alos criterios siguientes (Hoek, 1995):

(i) Si se utiliza la versión 1976 del índice RMR (Bieniawski, 1976), deberá suponerse que el macizo rocoso está completamente seco y no deberá efectuarse ajuste por orientación de las estructuras. El valor resultante del Índice RMR76

se relaciona con el Índice GSI de la siguiente forma:

Si RMR76 ≥ 18 entonces GSI = RMR76

Si RMR76 ≤ 18 entonces no puede estimarse el valor de GSI (la estimación es poco confiable)

(ii) Si se utiliza la versión 1989 del Índice RMR(Bieniawski (1989)), deberá suponerse que elmacizo rocoso está completamente seco y nodeberá efectuarse ajuste por orientación de lasestructuras. El valor resultante del Índice RMR89

se relaciona con el Índice GSI de la siguienteforma:

Si RMR89 ≥ 23 entonces GSI = RMR89 - 5 Si RMR89 < 23 entonces no puede estimarse el valor de

GSI (la estimación es poco confiable)

(iii) Si se utiliza el Índice Q (Barton, 1974), deberá suponerseque el macizo rocoso está completamente seco y la magnituddel estado tensional es moderada, con lo que los parámetros Jwy SRF se hacen iguales a 1.0. El valor resultante del Índice Q' serelaciona con el Índice GSI de la siguiente forma:

GSI = 9 ln Q' + 44

Nótese que el valor mínimo de Q' es de 0.02.8 y que resulta enun GSI de 9, equivalente a una zona de cizalle potente, conrelleno de salbanda arcillosa. Sin perjuicio de lo anterior, debeindicarse que recientemente Hoek (2005) señalan que el uso deestas correlaciones no es recomendable en el caso de macizosheterogéneos de rocas débiles, con valores del Índice GSImenores que 35

Figura 1: Carta para evaluar el Índicede resistencia geológica en macizosrocosos fracturados.(Tomada de Marinos & Hoek, 2000)

Giovanni VegaIngeniero Civil en Minas