11 Caracterizacion de Macizos Rocosos

Caracterización de macizos rocosos (64.08) Mecánica de Suelos FIUBA

Índice s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• • • •

Mecánica de rocas y mecánica del continuo Roca intacta y macizo rocoso Sistemas de clasificación de macizos rocosos Uso de sistemas de clasificación para obras de tunelería • Modelización de macizos rocosos • Otros aspectos de la caracterización de macizos rocosos


• • • •


Los macizos rocosos NO son medios continuos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Los métodos convencionales de la ingeniería aplican herramientas de la mecánica del continuo • Los macizos rocosos no son medios continuos


• Los métodos convencionales de la ingeniería aplican herramientas de la mecánica del continuo • Los macizos rocosos no son medios continuos • La mecánica del continuo puede aplicarse cuando – La escala del problema es grande respecto a la distancia entre discontinuidades – El comportamiento del macizo es “elástico”

• Los métodos analíticos (y el MEF) deben ser siempre complementados con análisis de comportamiento de discontinuidades


Falla de taludes típicas en rocas y medio continuo a. b. c. d.

Roca intacta Falla plana Falla en cuña Vuelco


• • • •


Macizo rocoso vs roca intacta s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Las propiedades mecánicas del macizo rocoso están controladas por – Roca intacta: el agregado mineral sin discontinuidades – Discontinuidades

• La medición precisa de las propiedades de la roca intacta es infrecuente, porque – Hay mucho error experimental – La dispersión es muy alta – Las discontinuidades controlan el comportamiento del macizo

Curva de resistencia intrínseca de rocas intactas s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Arenisca

(Bienawski, 1972)


• La CRI de las rocas intactas (y de los macizos) tiene una fuerte curvatura


• La CRI de las rocas intactas (y de los macizos) tiene una fuerte curvatura • La selección de parámetros de Mohr-Coulomb depende del problema que se estudia

s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Resistencia macizo vs roca intacta

(Hoek 2004)

Estos índices caracterizan al macizo


Rigidez macizo vs roca intacta

Estos índices caracterizan al macizo


• • • •


Sistemas de clasificación de macizos rocosos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• • • • • •

RQD – Rock Quality Designation (Deere) Q-System (Barton) RMR – Rock Mass Rating (Bienawski) GSI – Geological Strength Index (Hoek) RME – Rock Mass Excavability (Bienawski) … Designation: D 5878 – 00

Standard Guide for

Using Rock-Mass Classiﬁcation Systems for Engineering Purposes1

Recuperación porcentual y RQD s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

R

=

∑ Li carrera

∑ RQD =

Li

L >10cm

carrera

100 cm

40 cm

< 10 cm

30 cm

< 10 cm

Recuperación porcentual y RQD - Ejercicio s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Índice de calidad Q (Barton) s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Indice de calidad calculado a partir de: – RQD – J n (numero de sets de discontinuidades) – J r (rugosidad de las discontinuidades) – J a (alteración de las discontinuidades) – J w (factor que tiene en cuenta la presencia de agua) – SRF (Stress Reduction Factor)

Q

=

RQD J r J w J n

J a SRF

Índice de calidad Q (Barton) Q s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

=

RQD J r J n

×

J a

×

J w SRF

Índice de calidad Q: RQD s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=

RQD J r J w J n J a SRF

100 cm

40 cm

< 10 cm

30 cm

< 10 cm


Q

=


Estimemos Q: RQD s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C


Q

=


Índice de calidad Q: J n s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J n s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=

RQD RQD J r J w J n J a SRF SRF

Índice de calidad Q: J r s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J r s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J a s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J a s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J w s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: J w s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: SRF s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: SRF s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=


Índice de calidad Q: rango s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=

RQD J r J w J n

J a SRF

Índice de calidad Q: rango s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Q

=

RQD J r J w J n

J a SRF

RMR (Bienawski) s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Indice de calidad calculado como suma del efecto de: – – – – –

Resistencia a la compresión simple (0 a 15) RQD (3 a 20) Espaciamiento de las estructuras (5 a 20) Condición de las estructuras (0 a 30) Presencia de agua (0 a 15)

• RMR (10 a 100) • Se corrige por orientación de las discontinuidades

Geological Strength Index (Hoek) s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Muy similar a RMR • Existe un código (RocLab) que simplifica (demasiado) su aplicación

Geological Strength Index s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Rock Mass Excavability UCS OF INTACT ROCK (0–25 points) σc


(MPa)....................

Average rating ..........

<5

5–30

30–90

90–180

>180

4

14

25

14

0

DRILLABILITY (0–15 points) Drilling Rate Index ....

>80

80–65

65–50

50–40

<40


15

10

7

3

0

DISCONTINUITIES AT TUNNEL FACE (0–30 points) Homogeneity

Avg. rating

Number of joints per meter

Orientation with respect to tunnel axis

Homogeneous

Mixed

0–4

4–8

8–15

15–30

>30

Perpendicular

Oblique

Parallel

10

0

2

7

15

10

0

5

3

0

STANDUP TIME (0–25 points) Hours ........................

<5

5–24

24–96

96–192

>192


0

2

10

15

25

GROUNDWATER INFLOW (0–5 points) L/sec .........................

>100

70–100

30–70

10–30

<10


0

1

2

1

5

4

Rock Mass Excavability s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Para calcular DRI se requiere • Fragilidad: mide tenacidad (resistencia a astillamiento) • Perforabilidad: mide dureza superficial (abrasión)

Rock Mass Excavability s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• El criterio RME correlaciona bastante bien con la velocidad de avance media de túneles TBM de escudo simple y doble (no para cuerpo abierto)


(AFTES 2003)


• • • •


Índice Q: Aplicación a tunelería s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Es imposible predecir las condiciones geotécnicas a lo largo del trazado de un túnel • Se determinan diferentes sistemas de soporte en función de un índice de calidad del macizo • Se elige el sistema de sostenimiento de acuerdo al material encontrado

Índice Q: Aplicación a tunelería s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Sostenimiento en función de Q s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

El túnel del ejercicio s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C


• • • •


Modelización de macizos rocosos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• Modeloteca mínima – – – – –

Elasticidad anisotrópica Mohr-Coulomb Modelo de juntas difusas Hoek y Brown Elementos para discontinuidades

• La información disponible usalmente permite únicamente la calibración de – Elasticidad lineal: – Mohr – Coulomb:

E ν ,

c,

φ

Elasticidad anisotrópica s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

E n , E s , ν ss , ν ns , Gns E E s ≤ 1 n

Gss

=

E s

2 (1 + ν ss )

−1 ≤ ν ss ≤ 1

E n E s

2

(1 − ν ) − 2ν ss

2

ns

≥

0 n

El criterio de Hoek-Brown Hoek (1968) s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

σ 1

≥ −3σ 3 →

(σ 1 − σ 3 )

2

σ 1 + σ 3

σ 1 ≤ −3σ 3 → σ 3

=

−

1

8 Hoek-Brown (1980)

= σ c

σ c

0.5

⎛ σ 3 ⎞ σ 1 = σ 3 + σ ⎜⎝ ⋅ σ + ⎟ ⎠ c

m

s

c

Hoek-Brown (2002)

⎛ σ 3 ⎞ = + σ 1 σ 3 σ ⎜⎝ ⋅ σ + ⎟ ⎠

a

c

m

s

c

Modelización de macizos rocosos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

•

E ν c ,

,

,

φ dependen

de la escala del problema • Los modelos 2D pueden no ser paralelos a las discontinuidades • Puede ser necesario cambiar los parámetros durante el análisis

GSI~70: c = 6.9 MPa; ø = 44.3°

GSI~40: c = 4.5 MPa; ø = 35.4°

Los parámetros deben escalarse para el tamaño del problema PROPS


γ

A T C E A ν T N I c A C φ O R σc

σt

KN/m

3

GPa

ANDESITA

ANDESITA

DACITA

DACITA

DIORITA

DIORITA

PRIMARIA

SECUND.

PRIMARIA

SECUND.

PRIMARIA

SECUND.

min

min

min

min

min

min

27

27

27

26.2

max 26.2

26.2

max 26.2

27

max 27.5

27

max 27.5

55

60

45

55

32

35

27

30

45

60

37

50

0.22

0.15

0.14

0.16

0.18

0.18

0.2

0.15

0.25

0.2

0.3

MPa

22

28

15

25

18

20

14

16

23

30

15

20

°

38

42

38

42

47

48

41

44

34

38

33

36

MPa

104

132

80

110

105

112

90

100

125

148

95

107

MPa

11

13

7

10

5

7

5

6

10

21

4

6

55

70

45

55

60

70

45

50

65

70

50

60

min

σt

27

max

0.13

-

GSI

O γ S O E C O ν R O c Z I φ C A ψ M

max

KN/m GPa

3

27.0

max 27.0

13.60 36.33

min 27.0

max 27.0

min 26.2

max 26.2

min 26.2

max 26.2

min 27.0

max 27.5

min 27.0

max 27.5

6.71 13.99 18.22 33.47

7.11 10.00 26.51 38.47

9.75 18.39

-

0.22

0.28

0.26

0.23

0.24

0.24

0.29

0.30

0.22

0.31

0.30

0.38

MPa

2.00

2.50

0.45

0.60

1.40

1.70

0.40

0.60

1.70

2.00

0.50

0.70

°

43.0

47.0

40.0

45.0

46.0

49.0

43.0

46.0

50.0

52.0

44.0

46.0

°

6.4

9.6

4.0

8.0

8.8

11.2

6.4

8.8

12.0

13.6

7.2

8.8

1.10

1.30

0.70

1.00

0.50

0.70

0.50

0.60

1.00

2.10

0.40

0.60

MPa


Modelos de juntas: caracterización de discontinuidades s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

(Hoek 2006)

Los parámetros deben escalarse para el tamaño del problema s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

(Alejano 2005)

Modelo de Barton-Bandis s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

τ = σ n

⎛ ⎛ JCS ⎞ ⎞ tan ⎜ φ + JRC ⋅ log10 ⎜ ⎝ σ ⎟ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ n

r

n

n

φ r

=

(φ − 20 ) µ

JRC 0

+

20

r R −0.02 JRC 0

⎛ L ⎞ ⎜⎝ L ⎟ 0 ⎠ n

JRC n

=

JCS n

⎛ L ⎞ = JCS 0 ⎜⎝ L ⎟ 0 ⎠

−0.03 JRC 0

n

Modelo de Barton-Bandis s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

τ = σ n

⎛ ⎛ JCS ⎞ ⎞ tan ⎜ φ + JRC ⋅ log10 ⎜ ⎝ σ ⎟ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ n

r

n

n

φ r

=

(φ − 20 ) µ

JRC 0

+

20

r R −0.02 JRC 0

⎛ L ⎞ ⎜⎝ L ⎟ 0 ⎠ n

JRC n

=

JCS n

⎛ L ⎞ = JCS 0 ⎜⎝ L ⎟ 0 ⎠

−0.03 JRC 0

n

Advertencia: Los macizos rocosos NO son medios continuos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Advertencia: Los macizos rocosos NO son medios continuos s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C


• • • •


El túnel Río Blanco s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

• • • •

Túnel acueducto Teniente Dia: 4.65 m Long: 11 km Tunelera cuerpo abierto Perno y mallas

Construcción • 285 metros/mes promedio • Largos tramos sin sostenimiento

El túnel Río Blanco s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C

Construcción • 285 metros/mes promedio • Largos tramos sin sostenimiento

Luego de construcción • Minerales arcillosos tomaron agua • Colapso de paredes y techo

Ejemplo de estudio forénsico s o s o c o r s o z i c a m e d n ó i c a z i r e t c a r a C



11 Caracterizacion de Macizos Rocosos

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