CLASIFICACION GEOMECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

VERA & MORENO S.A.

Consultores de Ingeniera

Actualizacin y Complementacin de los Estudios Definitivos para el mejoramiento a nivel de asfaltado de la Carretera: HUANCAYO IMPERIAL IZCUCHACA MAYOC HUANTA AYACUCHO; tramo: IMPERIAL IZCUCHACA

ESTUDIO DE MECANICA DE ROCAS

1. 0INTRODUCCION

En este captulo se describen los trabajos de mecnica de rocas aplicados al estudio de estabilidad de los taludes de los macizos rocosos existentes en los tramos crticos de la carretera Imperial Izcuchaca.

Para evaluar los macizos rocosos que componen los taludes en los tramos crticos fue necesario realizar una investigacin de campo que consisti en realizar el mapeo de discontinuidades del macizo rocoso, obtencin de muestras de roca para realizar ensayos in-situ de esclerometra (Martillo Schmidt), as como lograr muestras para realizar ensayos de laboratorio: carga puntual, peso especfico, absorcin, densidad.

En base a los resultados de las investigaciones de campo y de los ensayos de laboratorio se realiz la clasificacin del macizo rocoso en base a los mtodos de RMR-SMR (Bieniawski y Romana). En este captulo se presenta los resultados de esta evaluacin.

2.0 INVESTIGACION DE CAMPO

Para realizar la clasificacin geomecnica del macizo rocoso en los taludes inestables rocosos de la carretera Imperial - Izcuchca, fue necesario realizar el mapeo geolgico - estructural para determinar el comportamiento geomecnico de los diferentes afloramientos rocosos que tiene como caractersticas principales la resistencia de la roca intacta, el grado de fracturamiento, el nmero y distribucin de las discontinuidades de la roca.

La toma de datos de campo de discontinuidades se analiz con el programa de cmputo Conteo, que de todos los valores de direccin de buzamiento y buzamiento separa o agrupa los que tienen orientaciones similares agrupndolos en familias, empleando para ello las proyecciones estereogrficas, obteniendo como resultado un diagrama estadstico de las discontinuidades con sus respectivos porcentajes. Todos los datos que alimentaron a este programa se obtuvieron en el campo tomando las direcciones de buzamiento y buzamiento de cada discontinuidad encontrada en el tramo analizado. El programa tambin realiza el anlisis de los tipos de falla: planar, por cua o por volteo posibles entre los principales planos de discontinuidades y la orientacin del talud.

El estudio de discontinuidades se realiz en las Estaciones M-4, M-5, M-12, M-13, M-14, M-16, M-17, M-18, M-20, P-1, P-2, P-2-1.

Con el objeto de determinar los parmetros de resistencia cortante de la roca intacta, se realizaron los ensayos de carga puntual y de esclerometra o Martillo Schmidt.

Se presenta a continuacin el detalle de las localizaciones en donde se ejecutaron las investigaciones de campo de mecnica de rocas de discontinuidades, ensayos de carga puntual y Martillo Schmidt.

3.0 CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

3.1Consideraciones Generales

El comportamiento geomecnico de una masa rocosa depende de tres aspectos fundamentales que estn interrelacionados entre s. La resistencia de la roca intacta, es decir el comportamiento de un espcimen de la roca exenta de discontinuidades y fisuras, cuya resistencia responde a las propiedades coligativas de la molcula de los minerales que la conforman, as como al material cementante que los une, si es el caso.

El segundo aspecto est referido al grado de fracturamiento o al nmero y distribucin de discontinuidades que afectan a la masa rocosa. Un macizo rocoso puede abarcar a una masa slida, contina, o bien llegar hasta el extremo de tener tantas fisuras que en conjunto se comportar como si estuviera compuesta de partculas ntimamente embonadas, sin resistencia alguna en condiciones de no-confinamiento. Los planos de las discontinuidades ofrecern diferentes grados de resistencia segn estn cerradas, segn la rugosidad que tengan, si estando abiertas posean material de relleno o no, y del tipo de material de relleno; as tendremos que fisuras cerradas, con propagaciones irregulares y superficiales muy rugosas ofrecern mayor resistencia a los esfuerzos de corte que interesan a la estabilidad interbloques, que si se tratara de fracturas planas, de superficies lisas y rellena de arcillas sensibles, por ejemplo.

El tercer aspecto est referido a los esfuerzos activos que actan en el macizo rocoso. Por un lado estn los esfuerzos tensionales que transmiten las presiones hidrostticas de las aguas subterrneas en las discontinuidades, y por otro lado, los esfuerzos debido a cargas litostticas con las subsecuentes deformaciones y esfuerzos horizontales, y los procesos de descompresin que pueden darse en las excavaciones y afloramientos.

De las consideraciones anteriores, fcilmente se deduce la imposibilidad de recoger la totalidad de la informacin necesaria para evaluar el comportamiento del macizo rocoso, y ms an integrarlos para llegar a una solucin nica. Sin embargo, las clasificaciones geomecnicas de macizos rocosos son la alternativa que se nos brinda por ahora para simplificar las evaluaciones en el campo de la mecnica de rocas, ante otra alternativa: ensayos in situ a gran escala, de difcil montaje y elevado costo.

3.2Clasificaciones Existentes

Las clasificaciones geomecnicas de macizos rocosos son mtodos simplificados para definir y controlar la estabilidad de las obras que se ejecuten en stos, mediantela evaluacin de ciertos elementos y procesos que interactan entre s.

El reconocimiento de la necesidad e importancia de los sistemas de clasificacin de los macizos rocosos han sido resaltados en gran nmero de artculos publicados por varios autores y actualmente son procedimientos ampliamente difundidos y utilizados para satisfacer las necesidades de diseo en el campo de la mecnica de rocas.

La sistematizacin de datos que interesan al comportamiento de los macizos, la integracin y verificacin de las predicciones en experiencias prcticas, tiene sus inicios en 1946, con el Mtodo Rock Load Classification, del Profesor K. Terzaghi, cuyo propsito fue el de dimensionar las cargas activas que se generan al excavar un tnel y definir los soportes necesarios con cerchas de acero. A este primer intento de clasificacin han seguido muchos otros, siendo los ms importantes los que se indican a continuacin.

Nombre de la Clasificacin Autor, fecha

Aplicacin

Clasific. de Cargas de Roca Terzaghi, K-1946

Tunelera

Clasific. de Tiempo de Auto-

Lauffer, H 1985

Tunelera

soporte (Stand-Up Time Classifi-

cation)

Designacin de Calidad de Roca

Deere et-al-1967

Reg. Perforacin

RQD (Rock Quality Designation)

Valuacin de Macizos Fisurados

Wickman -et-al-1972

Tunelera

RSR (Rock Structure Rating)

Valuacin de Macizos Rocosos

Bieniawski Z. T-1973 Tunelera, Taludes y Ciment.

RMR (Rock Mass Rating)

Sistema Q (Q-System)

Barton et-al-1974

Tuneleras y Cmaras Subterr.

Actualizacin del Sistema Q (NMT)Grimstad y Barton-1993 Tuneleras y Cmaras Subterr.

3.3Clasificacin RMR-SMR

Este sistema de clasificacin fue desarrollado por el profesor Z.T. Bieniaswski, en el Consejo Sudafricano para la investigacin Cientfica e Industrial(CSIR), en 1973 y modificado en 1989. Esta clasificacin tiene las siguientes ventajas:

a) Proporciona las cualidades para propsitos de diseo

b) Proporciona informacin cuantitativa para propsitos de diseo

c) Es simple y significativa en trminos, pues est basada en parmetros medibles que puede ser determinados rpidamente y a bajo costo.

El sistema RMR, como puede apreciarse en la Tabla N1, cuenta con cinco parmetros bsicos. Cada uno de los parmetros estn subdivididos en rangos de aplicacin con sus puntuaciones respectivas.

1.Resistencia de la Roca

Bieniawski basa sus valuaciones en rangos de resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta, o de acuerdo al ndice de Carga Puntual (PLT). Este valor se halla en laboratorio con el instrumento respectivo.

2. Designacin de la Calidad de la Roca (RQD)

El RQD, propuesto por Deere (1968) es de uso frecuente como una medida de la calidad de los testigos de perforacin, en funcin al fracturamiento del macizo rocoso. El RQD es definido como la relacin porcentual de la suma de las longitudes de testigos exentos de fracturas de 10cm, o ms, respecto a la longitud perforada.

Cuando no se cuenta con testigos de perforacin es posible estimar el RQD en un afloramiento rocoso, haciendo uso de la siguiente relacin propuesta por Barton et-al (1974).

RQD = 115 - 3.3 JV

JV = N de Fracturas /m3 de rocaPrecisamente, los valores de RQD se han determinado utilizando la relacin anterior.

3. Espaciamiento de Discontinuidades

Para esta caracterstica del macizo rocoso, Bieniawski en su clasificacin RMR modificada de 1989, considera los rangos recomendados por la Sociedad Internacional de Mecnica de Rocas. Este dato se obtiene por observacin directa en el campo.

4. Condicin de las Discontinuidades

Para la evaluacin de este parmetro se toma en cuenta la separacin o abertura de la discontinuidad, extensin, rugosidad y grado de meteorizacin de las paredes y tipo de material de relleno. Todos estos datos se obtienen por observacin directa en el campo.

5 Condiciones de Agua Subterrnea

Toma en consideracin la influencia del flujo de agua subterrnea en rangos de flujo observado, la relacin de la presin del agua en las discontinuidades con el esfuerzo principal mayor, o por alguna observacin cualitativa general de las condiciones del agua subterrnea.

RMR Ajustado.- se obtiene a partir del RMR bsico (Tabla N 1) restndole un valor de acuerdo a la direccin de buzamiento y buzamientos de las discontinuidades (muy favorable, favorable, desfavorable, etc) y al tipo de trabajo (tneles, cimentaciones o taludes).

El valor obtenido se conoce como el RMR ajustado. En el anlisis que hace el programa RMR-SMR este valor se obtiene directamente, porque el programa pregunta acerca del efectos de las discontinuidades y el tipo de trabajo.

La clasificacin RMR ha sido complementada con factores de reduccin que dependen de la interrelacin de los elementos de orientacin de las discontinuidades con los del talud, as como los mtodos de excavacin, en caso se hayan practicado, dando lugar al Sistema de Clasificacin de Taludes Rocosos (SMR) (Romana, 1985). La valuacin final que se obtiene corresponde a una clase de talud determinada.

Para cada clase de talud, la clasificacin SMR del talud rocoso define condiciones de estabilidad del talud; presenta los tipos de falla que pudieran ocurrir y sugiere las medidas correctivas a ser aplicadas.

La Tabla N2 presenta el grado de dureza de la roca, la Tabla N3 la clasificacin de las condiciones de las discontinuidades; la Tabla N4 la calidad de la roca, la Tabla N 5 el grado de fracturamiento de la roca y la Tabla N6 el grado de meteorizacin de la roca. La Tabla N7 presenta la clasificacin de la roca intacta en base a dureza y meteorizacin.

La clasificacin de macizos rocosos RMR - SMR para tneles, cimentaciones y taludes ha sido implementada en un programa de cmputo escrito en lenguaje Basic, el cual fue utilizado en el anlisis del macizo rocoso.

3.4 Evaluacin de Macizos Rocosos

Con la finalidad de evaluar cualitativamente la estabilidad de los taludes rocosos que permitan determinar su nivel de riesgo a la inestabilidad del mismo y para determinar cuantitativamente los parmetros de resistencia de los macizos rocosos para el diseo de estabilidad de taludes de la carretera Imperial -Izcuchaca, se ha utilizado la metodologa propuesta por Romana (1985) con el programa de cmputo RMR - SMR.

Todos los parmetros se han evaluado en los distintos macizos rocosos considerados caractersticos de la carretera en estudio, para lo cual se ha utilizado la Tabla N1 de donde se obtiene el valor de RMR - SMR. Estos parmetros fueron obtenidos en las estaciones geomecnicas del estudio en el campo y los ensayos de laboratorio.

Durante la etapa de reconocimiento de campo los taludes evaluados fueron los ms caractersticos en cuanto al tipo de roca y su riesgo de inestabilidad y para uniformizar criterios en cuanto a la obtencin de datos de campo, se utilizaron las Tablas N 1,2, 3, 4, 5, 6 y 7.

De acuerdo al valor SMR obtenido se puede establecer en forma cualitativa el estado del talud rocoso (estable a muy inestable) y las medidas correctivas necesarias. Con los valores de RMR se puede obtener en forma cuantitativa valores de los parmetros de resistencia (cohesin y friccin), para su uso en diseo de taludes rocosos; adicionalmente, a partir del valor de RMR, se puede obtener valores del parmetro de deformacin Em (Bieniawski, 1978; Serafin y Pereira, 1983), parmetros de resistencia m y s (Hoek y Brown, 1985) y algunas otras correlaciones con otros Sistemas de Clasificacin (Sistema Q) de amplio uso.

Las salidas del Programa RMR-SMR se presentan en el Anexo I y II. Los parmetros de resistencia (cohesin y friccin) determinados son consistentes con los valores encontrados en la literatura tcnica especializada por lo que sern utilizados en el diseo de taludes rocosos. En cuanto al estado del talud determinado, stos estn de acuerdo a lo observado en campo, por lo que se considera que esta metodologa es aplicable para el anlisis de otros taludes rocosos de la zona en estudio.

Un resumen de la evaluacin de los taludes rocosos se presenta en la tabla N9.

Interpretacin de resultados

La tabla N 9 muestra los resultados del programa RMR-SMR de las estaciones geomecnicas estudiadas. El RMR evala la clasificacin del macizo rocoso y el SMR analiza la estabilidad y el tipo de fallamiento, proponiendo un soporte para el talud. Finalmente, el resumen de los resultados se muestran en el campo ESTADO DEL TALUD de la tabla N 9.

El primer resultado de este campo nos muestra la clasificacin del macizo rocoso (RMR) en bueno, regular, malo, etc. El segundo y tercer resultado del mismo campo son las salidas del SMR (estabilidad y tipo de fallamiento) como: estable-algunos bloques, parcialmente estable-algunas juntas o muchas cuas, totalmente estable-ninguno, etc. Finalmente el ultimo resultado es el tipo de sostenimiento que necesitara el talud (ocasional, sistemtico, ninguno, etc)

Relacin entre los Anexos I, II, III y IV del estudio de Geomecnica de Rocas

El Anexo I: Contiene las evaluaciones de RMR SMR que nos muestra la calidad y estabilidad de macizo rocoso y su posible tipo de falla.

El Anexo II: Utiliza los valores SMR (direccin de buzamiento y buzamiento del talud) y el ngulo de friccin interna hallado en la determinacin del RMR, para encontrar el tipo de falla predominante a partir de los juegos de familias de discontinuidades que existen en el talud analizado, que previamente fueron analizados por el programa Conteo. El nmero de familias tambin se emplea en clculo del RMR SMR del Anexo I.

El Anexo III: Martillo de Schmith.- Nos muestra los valores de resistencia a la compresin en MN/m (Mega Newton/ m), de la roca del talud in situ. Es decir, resistencia a la compresin de la parte mas externa de la roca, como se encuentra en el campo.

Carga Puntual.- Muestra el anlisis para la obtencin del valor de la resistencia a la compresin en MPa (Mega Pascal) que se usa par el clculo del RMR SMR del Anexo I.

El Anexo IV: Muestra los ensayos de densidad o peso unitario de la masa rocosa en KN/m, usado en el clculo del RMR SMR del Anexo I. Adems se tienen valores de absorcin y gravedad especfica.

4.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. En este estudio se han realizado los trabajos de mecnica de rocas para determinar la estabilidad de los taludes en macizos rocosos de la carretera Imperial Izcuchaca.

2. Los trabajos de campo han consistido en las mediciones de las discontinuidades existentes en el macizo rocoso, los buzamientos y direcciones de buzamiento de los estratos y las orientaciones y alturas y ngulos de los taludes de corte.

3. Se han realizado ensayos in-situ y de laboratorio en las muestras de roca, consistentes en ensayos de carga puntual, peso especfico, absorcin y martillo Schmidt.

4. El anlisis ha consistido en el anlisis de discontinuidades de junturas en la roca en 12 secciones y la clasificacin geomecnica del macizo rocoso aplicada a taludes segn Bienawski en 33 secciones de taludes rocosos.

5. La Tabla No. 8 presenta los lugares donde se ejecutaron los estudios y la Tabla No. 9 presenta los resultados de la Clasificacin RMR-SMR.

6. Los resultados indican la estabilidad de los taludes rocosos, el tipo de falla del talud y el soporte propuesto.

7. Los taludes de la carretera son bastante inclinados, y estn constituidos fundamentalmente por roca caliza en bancos gruesos a medianos, arenisca y lutita, as como tambin material coluvio-aluvial.

8. En general los taludes de roca y en material coluvial, no obstante su inclinacin y mediana a gran altura, se mantienen en la mayora de los casos estables debido al buzamiento favorable de los estratos rocosos (buzamiento contra el talud-ver fotos) y la cementacin del material coluvial -aluvial. En el caso de los taludes considerados en el estudio parcialmente estables tiene la posibilidad de que produzcan cadas de bloques inestables.

9. Existe un problema crtico de cada de rocas en el Km 20 + 060, que sera conveniente estudiar en detalle para disear sistemas de proteccin de cada de rocas con vallas dinmicas.

10. En los tramos de taludes (parcialmente estables) donde haya posibilidad de cada de bloques inestables, se recomienda el desquinche del talud y/o el tendido del talud con el objetivo de mejorar su estabilidad.

11. En los tramos en que hay que ensanchar la carretera, se recomienda en roca corte de talud con (H:V) 1:5 (parcialmente estables) o 1:7 a 1:10 (estables). En el material coluvio aluvial se recomienda corte de talud (H:V) 1:3.

12. Los taludes de corte debern ejecutarse con diseos de perforacin y dosificacin de cargas (Voladura controlada o pre-corte) para evitar sobre fracturamiento y alteracin del talud, completndose con trabajos de eliminacin o desquinchado de bloques sueltos. En el material coluvial no se utilizar explosivos.

REFERENCIAS

Barton N., Lien R. y Lunde J. (1974), Analysis of Rock Mass Quality and Support Practice in Tunneling and Guide for Estimating Support Requirements, Norges Geotekniske Institute, Oslo.

Bieniawski Z.T. (1976), Rock Mass Classification in Rock Engineering. Symposium on Exploration for Rock Engineering, Johannesburgh.

Bieniawski Z.T. (1978) Determining Rock Mass Deformability: Experience from Case Histories,International Journal Rock Mechanics Mining Science, Vol. 15, p. 237-247.

Bieniawski Z.T. (1989), Engineering Rock Mass Classification, Wiley Interscience Publication, USA.

Deere D.U. (1968), Geological Considerations, Rock Mechanics in Engineering Practice, Editores R.G. Stagg y D.C. Zienkiewicz, John Wiley, New York.

Grimstad E. y Barton N. (1993), Updating of the Q-System for NMT, International Symposium on Sprayed Concrete Modern Use of Wet Mix Sprayed Concrete for Underground Support, Fagures, Noruega.

Hoek E. y Bray J.W. (1977), Rock Slope Engineering, The Institution of Mining and Metallurgy. London, 2da. Edicin.

Hoek E. y Brown E.T. (1985), Excavaciones Subterrneas en Rocas, Mc Graw-Hill, Mxico.

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Priest S.D. (1985), Hemispherical Projetion Methods in Rock Mechanics, George Allen & Uncoin, London.

Romana M. (1985), New Adjustment Ratings for Application of Bieniawski Classification to Slopes, International Symposium Rock Mechanics to Mining and Civil Works, ISRM, Zacatecas, Mxico.

Serafim J.L. y Pereira J.P. (1983), Considerations of the Geomechanics Classification of Bieniawski, Proc. International Simposium Engineering Geology for Underground Construction, Lisboa, p.II-33-II-42

Informe Final

Estudio de Mecnica de Rocas

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