6. CALCULO DE LA CALIDAD GEOMECÁNICA DE L A ZONA DE INFLUENCIA DIRECTA DE LA EXCAVACION En este capitulo se determina la calidad geomecánica del los estratos superiores al manto la Ciscosa que pertenecen a la zona de influencia directa de la excavación. competencia estabilidady de determinanpara las dimensiones La de las labores de yexplotación del estos sistemaestratos de sostenimiento, ello se emplea los sistemas de clasificación de macizos rocosos desarrollados por Bieniawski 1989 (Rock Mass Rating) y Palmstrom 1995 (Rock Mass Index). La recopilación de la información necesaria para la aplicación de los sistemas de clasificación geomecánica de macizos rocosos incluyo el levantamiento de datos estructurales a lo largo y ancho de la mina, en este recorrido se obtuvo un total de 400 datos de diaclasas con sus características geomecánicas mas importantes medidas sobre el estrato de arcillolita de 2,5m de espesor, el cual constituye el respaldo superior o techo inmediato de las labores en la mina. En el anexo B se resumen los formatos empleados en la recopilación de las características geomecánicas de las discontinuidades del techo de la mina así como los datos de campo levantados. A partir de los resultados arrojados por estos dos sistemas de clasificación geomecánica de macizos rocosos se correlaciona el valor del RMR con el sistema de clasificación desarrollado por Barton en 1974 (Rock Mass Quality) y el sistema de clasificación propuesto por Hoek y Brown en 1997 (Geological Strength Index). Finalmente se brindan algunos parámetros geomecánicos de interés de la zona analizada por medio de la aplicación del software Roclab de Rocscience Inc.
6.1 CALCULO DEL ROCK MASS RATING (BIENIAWSKI 1989) Las clasificaciones geomecánicas o el sistema Rock Mass Rating (RMR) fue inicialmente desarrollado en el concejo de científicos e investigación industrial de Sudáfrica o por sus siglas en ingles (CSIR) por Bieniawski en 1973 en base a su experiencia en la construcción de túneles. Desde 1973, la clasificación ha sufrido cambios severos de gran significancia hasta llegar a la versión desarrollada en 1989 sobre la cual se basa el presente capitulo. Para la aplicación de este sistema de clasificación, el macizo rocoso es dividido en un número determinado de regiones estructurales y su clasificación se hace por separado. Para este caso el límite estructural es el estrato superior de arcillolita de 178
2,5m de espesor, sobre el cual se miden las características geomecánicas de las discontinuidades, sin embargo la resistencia a la compresión de la roca se promedia con los otros dos estratos de la zona de influencia directa de la excavación para considerar la influencia de estos en la estabilidad de la misma.
Los siguientes seis parámetros son usados para clasificar un macizo rocoso usando el sistema RMR: a. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca. b. Índice de calidad de la roca (RQD). c. Espaciamiento de las discontinuidades.
d. Condición de las discontinuidades. e. Condiciones de agua subterránea. f. Orientación de las discontinuidades. A continuación se describen los aspectos más importantes de cada parámetro, así como otra información de interés y las características geomecánicas de los sistemas de diaclasas del respaldo superior de las labores de la mina.
6.1.1 Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta La resistencia a la compresión uniaxial de la roca se puede obtener de tres maneras para determinar el RMR: una es a partir de la correlación de distintos tipos de roca descritos en estudios pasados o en libros especializados, las otras son por medio del ensayo de compresión uniaxial o a través del ensayo de carga puntual. En nuestro caso se utilizo el ensayo a compresión simple sobre probetas de roca de 30mm de lado y 70 mm de altura con una relación (h/ ) igual a 2,33.
179
Tabla 62. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta para el cálculo del RMR. Resistencia a la compresión
Resistencia a la carga puntual
Valor
(MPa) >250
(MPa) >10
15
Muy fuerte
100-250
4-10
12
Fuerte
50-100
2-4
7
Medianamente fuerte
25-50
1-2
4
Débil
5-25
2
Muy débil
1-5
Extremadamente débil
<1
Para estos rangos tan bajos se recomienda el ensayo de resistencia a la compresión simple
Descripción de la calidad Excepcionalment e fuerte
1 0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. En las tablas 63 y 64 se muestran los valores obtenidos para la resistencia a la compresión simple de la roca y el modulo de elasticidad de Young, a partir de ensayos de compresión uniaxial sobre probetas de roca intacta. Para la zona de influencia directa de la excavación calculada en la sección 5.6.3, la resistencia a la compresión promedio de la roca intacta es de 23,5MPa y el modulo de Young promedio es: 3,672GPa.
180
De acuerdo a la tabla 62, para una resistencia a la compresión de la roca intacta de 23,5MPa se tiene una calificación de 2 esto clasifica a la roca de la zona de influencia directa de la excavación como una roca débil.
Tabla 63. Calculo promedio de la resistencia a la compresión uniaxial de la zona de influencia directa de la excavación.
Tipo de roca
C (MPa)
Espesor acumulado (m)
Arenisca
30,616
5,2
C (MPa) ponderada
23,5 Arcillolita
19,580
2,5m+7m= 9,5
Tabla 64. Calculo promedio del modulo de elasticidad de Young de la zona de influencia de la excavación.
Tipo de roca
Eprom. (GPa)
Espesor acumulado (m)
Arenisca
9,870
5,2
Eprom. (GPa) ponderada
3,672 Arcillolita
0,279
2,5m+7m= 9,5
6.1.2 Índice de calidad de la roca (RQD) El índice de calidad de la roca o RQD por sus siglas en ingles, fue desarrollado por Deere en 1967 para proporcionar una estimación cuantitativa de la calidad de macizos rocosos a partir de núcleos de perforación.
181
El RQD se define como el porcentaje de piezas intactas de un núcleo de perforación de cualquier longitud mayores a 100mm o 4 pulgadas de longitud, es un parámetro que depende de la dirección y por ende sus valores pueden cambiar significativamente de acuerdo a la orientación de la perforación.
Figura 46. Cálculo directo del RQD.
Fuente: HOEK. Practical Rock Engineering, 2007. Existe una gran cantidad de métodos directos o indirectos para el cálculo del RQD, para este estudio se eligió el método indirecto por medio del cálculo del parámetro Jv que proporciona un valor del RQD que no es afectado por la dirección de la medida, este método fue desarrollado inicialmente por Palmstrom (1974).
Factor volumétrico de juntas (Jv) Jv, se define como el número de familias de juntas presentes en un metro cubico, frecuentemente este término depende del espaciamiento promedio entre juntas de una misma familia, pero cuando aparecen tres o más familias que se interceptan 182
formando ángulos entre ellas es más adecuado correlacionar el valor de Jv con el cálculo del volumen del bloque Vb. Vb, es definido como el tamaño del bloque formado por la intercepción de tres o más familias de juntas, su cálculo se realiza a través de la siguiente ecuación: Vb= (S1*S2*S3) / ((sen1) (sen2) (sen 3)) Donde; S1, S2, S3 son los espaciamientos promedio entre las familias de juntas y 1, 2 y 3 son los ángulos entre las familias de juntas.
Tabla 65. Clasificación del tamaño del bloque de Palmstrom (1995).
Volumen del bloque Muy pequeño
Pequeño
Moderado
Largo
Muy largo
Vb 10-200 cm3 0.2-10 dm
3
10-200 dm3 0.2-10 m
3
> 10 m3
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005. El tamaño de los bloques es un indicador muy importante de la calidad del macizo rocoso y viene determinado por el espaciado de las discontinuidades, el número de familias y el tamaño de las discontinuidades que delimitan el bloque potencial. La combinación de la resistencia al corte de las discontinuidades que delimitan los bloques y el tamaño de los mismos determinan el comportamiento mecánico del macizo rocoso bajo unas condiciones de tensión dadas, los macizos rocosos compuestos por bloques de gran tamaño tienden a ser menos deformables, mientras que si su tamaño es muy pequeño puede llegar a generarse un flujo del terreno. [1]
[1]
ITG. Mecánica de r ocas aplicada a la minería metálica subterránea. 1991. Pág. 122.
183
El cálculo de Jv en base al valor obtenido de Vb se obtiene a través de la siguiente ecuación: Jv= ( / Vb) (1/3)
Figura 47. Influencia del número de familias de juntas en el volumen y forma del bloque.
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005. El término hace referencia al factor de forma del bloque y se puede obtener teniendo en cuenta las siguientes características y lo expuesto por Matula (1981). -
Para bloques cúbicos o compactos: = 27.
-
Para bloques prismáticos o tabulares: = 28-32.
-
Para bloques moderadamente largos y moderadamente planos: = 33-59.
-
Para bloques largos y planos: = 60-200.
184
-
Para bloques muy largos y muy planos: >200.
Tabla 66. Tipos de bloques según Matula (1981).
Tipo de bloque
Descripción general
Poliédricos
Discontinuidades irregulares, descolocadas que generan bloques de diferente tamaño y forma.
Tabulares
Existe un plano de discontinuidad paralelo, como un plano de estratificación y otros sistemas de juntas discontinuas, generando bloques de poco espesor y gran anchura y longitud.
Prismáticos
Existen dos conjuntos aproximadamente dominantes de discontinuidades ortogonales, con un tercer conjunto irregular, generando bloques de poco espesor y gran anchura y longitud.
Cúbicos
Existen tres conjuntos dominantes de discontinuidades casi ortogonales así como otras juntas irregulares.
Romboédricos
Existen tres o más conjuntos de juntas dominantes oblicuas que generan bloques equidimensionales.
Columnares
Se forman cuando hay una gran cantidad de juntas paralelas cortadas por juntas irregulares, esto genera bloques de gran longitud, poco espesor y poca anchura
Fuente: ITG. Mecánica de Rocas Aplicada a la Minería Metálica Subterránea, 1991.
185
Figura 48. Ejemplos de algunas formas de bloques.
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005.
Tabla 67. Clasificación del grado de diaclasamiento de acuerdo al valor Jv de Palmstrom (1995).
Grado de diaclasamiento
Muy bajo
bajo
Moderado
Alto
Muy alto
Triturado
<1
1-3
3-10
10-30
30-60
>60
Jv
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005.
186
Finalmente el cálculo del RQD se puede realizar por medio de dos ecuaciones que relacionan el valor de Jv con el RQD.
Figura 49. Relación entre Jv y RQD.
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005.
Ecuación 1: Esta expresión fue incluida en la introducción al sistema Q de Barton en 1974. Esta ecuación es algo pobre especialmente cuando existen muchas piezas del núcleo que se acercan a 0.10m de longitud, es más apropiada para bloques largos y planos. Ecuación 2: Esta ecuación da un promedio de mayor probabilidad para la relación RQD-Jv, siendo más apropiada para bloques de forma cubica. Ecu. 1: RQD= 115-3.3Jv
Ecu. 2: RQD= 110-2.5Jv 187
Tabla 68. Valores del RQD para el cálculo del RMR.
Descripción de la calidad
%RQD
Valor
Excelente
90-100
20
Buena
75-90
17
Regular
50-75
13
Pobre
25-50
8
<25
3
Muy pobre
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Para desarrollar la metodología aquí propuesta para el cálculo indirecto del RQD se debe determinar primero el número de familias de diaclasas presentes en el respaldo superior de las labores mineras, así como sus datos estructurales más importantes como dirección y buzamiento, a continuación se determina el valor del RQD a partir de laeninformación recopilada campo sobre los sistemas de diaclasas presentes el respaldo superior del en yacimiento carbonífero. De acuerdo a los resultados obtenidos con ayuda del software Stereo Nett (Ver figura 50, 51, 52 y 53) y a la interpretación de los datos geológicos y la observación en campo del diaclasamiento del respaldo superior en el interior de la mina La Quiracha se pudo concluir que existen claramente definidas dos familias de diaclasas y un plano de exfoliación natural del respaldo superior característico de la arcillolita laminar. Los datos estructurales de las familias de diaclasas encontradas se consignan en la tabla 69.
188
Figura 50. Diagrama de polos.
Tabla 69. Datos estructurales de las familias de diaclasas.
Familia
Azimut
Buzamiento
Dirección de buzamiento
Familia 1
137,5º
87,5ºNE
47,5º
Familia 2
47º
74,2ºNW
317º
Plano de exfoliación
330º
21ºNE
60º
189
Figura 51. Diagrama de contornos de densidad de polos.
Los ángulos entre las familias de diaclasas se pueden calcular, cuando se restan las direcciones de buzamiento entre las tres familias de diaclasas encontradas, estos ángulos son: entre la familia 1 y 2: 90,5º, entre la familia 1 y el plano de exfoliación 12,5º, y entre la familia 2 y el plano de exfoliación: 103º. El espaciamiento promedio entre diaclasas, es un parámetro indispensable para el calculo del RMR por tal se profundiza en el mas adelante, sin embargo se puede decir que la distancia entre las familias 1,2 y del plano de exfoliación se encuentran en su mayoría entre (6-20) cm y (20-60) cm, para este caso específico podemos utilizar los dos valores medios, es decir 13cm y 40cm, escogiendo a la vez un valor intermedio igual a 26,5cm. Con estos datos el volumen del bloque (Vb) formado es: 0,09 m3.
190
Figura 52. Diagrama de rosetas para la dirección de buzamiento.
De acuerdo a la clasificación de Palmstrom (1995), el bloque formado por la intercepción de las diaclasas es un bloque de tamaño moderado, para el calculo del Jv se escoge el valor de mas apropiado de acuerdo a su forma y a la clasificación propuesta por Matula (1981), en nuestro caso es un bloque tabular con un valor de 32, con estos datos y aplicando la formula correspondiente Jv es igual a: 7,1. La clasificación de Palmstrom (1995) para un valor de Jv= 7,1 lo cataloga con macizo rocoso con un grado de diaclasamiento moderado, con este parámetro se puede obtener el valor del RQD usando cualquiera de las dos relaciones existentes, aunque se ha demostrado que la relación mas cercana entre el RQD y el Jv es la brindada en la ecuación 2 descrita anteriormente.
191
Figura 53. Diagrama de rosetas para el rumbo de las diaclasas.
El valor del RQD para las características de diaclasamiento descritas es: 1. RQD= 115-3.3Jv= 91,6% 2. RQD= 110-2.5Jv= 92,3% Tomando el valor dado por la ecuación 2, se obtiene un RQD de 92,3% que clasifica el respaldo superior del yacimiento como un estrato excelente calidad. Para el cálculo del RMR este parámetro tiene un valor de 20.
192
6.1.3 Espaciamiento de discontinuidades El termino discontinuidad incluye: planos de estratificación, foliación, diaclasas, zonas de corte o fallas pequeñas, la distancia lineal entre dos discontinuidades adyacentes debe ser medida para todas las familias de discontinuidades presentes y sus valores se deben correlacionar con los que se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 70. Espaciamiento de discontinuidades para el cálculo del RMR.
Descripción
Espaciamiento
Valor
Muy ancho
>2m
20
Ancho
0.6-2m
15
Moderado
200-600mm
10
Cerca
60-200mm
8
Muy cerca
<60mm
5
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. El espaciado de las discontinuidades es un factor que influye en el tamaño de los bloques de roca que se forman por la intercepción de tres o mas sistemas de discontinuidades, su importancia es mayor cuando existen otros factores condicionantes de la deformación del macizo rocoso como: una resistencia al corte pequeña y un número suficiente de discontinuidades para que se produzca el deslizamiento. El espaciado también tiene gran influencia en la permeabilidad del macizo rocoso y en las características internas que condicionan la circulación de agua dentro del macizo. [2] La medida del espaciado se realizo colocando la cinta métrica perpendicular a la traza de afloramiento de la discontinuidad (diaclasa) y
[2]
ITG. Mecánica de rocas aplicada a la minería metálica subterránea. 1991. Pág. 113.
193
determinando la separación existente entre planos de debilidad de la misma familia.
Tabla 71. Espaciamiento de las diaclasas levantadas en campo.
Espaciamiento
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
>2m
20
0
0
0.6-2m
15
14
3,5%
0.2-0.6m
10
166
41,5%
200mm-60mm
8
167
41,75%
<60mm
5
53
13,25%
400
100%
Total
Figura 54. Espaciamiento entre diaclasas de una misma familia.
194
Como se puede observar en la tabla 71, de los 400 datos recopilados en campo dentro de la mina, cerca del 41,5% de los planos de discontinuidad tienen un espaciamiento entre 20cm y 60cm, mientras que el 41,75% presentan un espaciamiento entre 20cm y 6cm, para efectos del calculo del RMR el valor de este parámetro oscila entre (8-10). Para este caso se utiliza el valor mas critico para obtener el RMR (8).
6.1.4 Condiciones de las discontinuidades Para el cálculo de este parámetro se debe de tener en cuenta otros aspectos que en conjunto permiten definir el estado general de los sistemas de discontinuidades presentes en la mina, para ello se debe considerar: -
la rugosidad de la superficie de la discontinuidad.
-
La separación entre diaclasas de una misma familia.
-
La longitud o continuidad de las diaclasas.
-
La alteración de las paredes del plano de discontinuidad.
-
la presencia de relleno en las aberturas.
Estas características se deben comparar con los valores descritos en las tablas 73, 75, 77, 79 y 81 para obtener el valor final de las condiciones de las discontinuidades se suma algebraicamente los valores obtenidos de los cinco parámetros descritos. Otra forma de determinar el valor de este parámetro es por medio de la tabla 72, que permite a través de información muy general sobre algunas características geomecánicas de los planos de discontinuidad tener una idea clara de las condiciones y del estado actual de las paredes de las juntas, su rugosidad, alteración y continuidad.
195
Tabla 72. Condiciones de las discontinuidades para el cálculo del RMR.
Condición de las discontinuidades
Valor
-superficies muy rugosas -no continuas -no tienen separación -paredes de roca inalteradas
30
-superficies ligeramente rugosas -separación<1mm -paredes ligeramente alteradas
25
-paredes ligeramente rugosas -separación<1mm -paredes altamente alteradas
20
-superficies lisas -separación <5mm -continuas
10
-superficies lisas -separación >5mm -continuas
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999.
Rugosidad La rugosidad de las paredes de una discontinuidad es el factor determinante de la resistencia al corte, su importancia disminuye al aumentar la apertura y el espesor del relleno o con la presencia de cualquier desplazamiento sufrido con anterioridad. La rugosidad de una discontinuidad viene caracterizada por su ondulación y su aspereza.
196
Las ondulaciones son rugosidades a gran escala que si están en contacto las de ambas paredes, provocan una expansión cuando tiene lugar un desplazamiento cortante. [3] La aspereza es una rugosidad a pequeña escala, que varia cuando se produce un desplazamiento al la romperse los pequeños picos odeque roca, a menos que la resistencia de loscortante labios de discontinuidad sea elevada la tensión aplicada [3] sea pequeña.
Figura 55. Escala intermedia y pequeña de rugosidad.
Fuente: PALMSTROM A. Measurements of and Correlations Between Block Size and RQD, 2005. [3]
ITG. Mecánica de rocas aplicada a la minería metálica subterránea. 1991. Pág. 114-116.
197
La clasificación geomecánica de macizos rocosos RMR no considera las rugosidades a gran escala, por lo que la tabla de comparación se limita a la identificación de asperezas, estas normalmente se identifican en campo por medio de un análisis táctil de las paredes de la discontinuidad cuando la separación de ellas así lo permite, en caso contrario, se recurre a una escala visual que consiste en dos sub-escalas una intermedia (varios metros), que a su vez se divide en escalonada, ondulada, y plana, y una escala pequeña centímetros) divide cada grado de la escala intermedia en rugosa, lisa y(varios pulida.(Ver figura 55)que Una vez identificado el tipo de aspereza se compara con el cuadro de calificación de la rugosidad para el cálculo del RMR.
Tabla 73. Rugosidad de las paredes de los planos de discontinuidad para el cálculo del RMR.
Rugosidad
Valor
Muy rugosa
6
Rugosa
5
Ligeramente rugosa
3
Suave
1
Muy suave o plana
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Al analizar esta característica geomecánica de las paredes de las diaclasas sobre los 400 datos estructurales levantados en campo, se obtuvieron los siguientes resultados:
198
Tabla 74. Rugosidad de las paredes de las diaclasas levantadas en ca mpo.
Rugosidad
Valoración (RMR)
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Muy rugoso
6
21
5,25%
Rugoso
5
25
6,25%
Ligeramente rugoso
3
71
17,75%
Suave
1
130
32,5%
Plano de falla o pulido, muy suave
0
153
38,35%
400
100%
Total
Figura 56. Rugosidad de las paredes de las diaclasas.
199
Como se puede observar en la tabla 74, la mayoría de las diaclasas tienen paredes suaves y lisas al tacto (indicador de baja resistencia mecánica al corte), los valores de este parámetro para el calculo del RMR oscilan entre 1 y 0, pero como la separación entre las frecuencias relativas de estos dos tipos de rugosidad es de 23 datos se elige el valor con mayor frecuencia para el calculo del RMR, por lo que para este parámetro se tiene un valor de 0, característico de unas diaclasas con paredes de rugosidad muy baja similar al de un espejo o plano de falla.
Apertura o separación La apertura o separación entre labios de una discontinuidad, es la distancia perpendicular que separa las paredes adyacentes de roca de una discontinuidad abierta, en el espacio intermedio suele haber agua, aire o relleno. Las grandes aperturas pueden ser el resultado de desplazamientos cortantes de las discontinuidades que tienen una rugosidad apreciable, o bien pueden estar producidas por tracciones, lavado o disolución, las aperturas existentes a gran profundidad inferiores a medio milímetro en la mayoría de los macizos rocosos son [4]
menores que las visibles en afloramientos.
Tabla 75. Separación entre planos de discontinuidad para el cálculo del RMR.
Separación o abertura
Valor
Ninguna
6
<0.1mm
5
0.1-1mm
4
1-5mm
1
>5mm
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. [4]
ITG. Mecánica de r ocas aplicada a la minería metálica subterránea. 1991. Pág. 118.
200
En lo que se refiere a la resistencia al corte, en las aperturas delgadas el grado de separación apenas tiene influencia, esta separación toma mayor relevancia cuando hay agua en la junta, ya que cambian las tensiones normales efectivas y por tanto la resistencia al corte. La apertura de las discontinuidades se midió con una cinta métrica de forma que esta quedara perpendicular a las paredes de las juntas abiertas, este procedimiento se repitió para los 400 datos de discontinuidades levantados la mina, luego loscálculo datos mostrados en la tabla 75 paraendeterminar el valorsedecorrelacionaron este parámetrocon en el del RMR. Los valores obtenidos en campo para este parámetro se muestran a continuación:
Tabla 76. Apertura de las diaclasas levantadas en campo.
Apertura
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Ninguna
6
157
39,25%
<0.1mm
5
81
20,25%
0.1-1mm
4
96
24%
1-5mm
1
66
16,5%
>5mm
0
0
0
400
100%
Total
Como se observa en la tabla 76 y en la figura 57, la mayoría de las diaclasas inspeccionadas no reportaron una apertura visible, es decir la separación entre las paredes de las diaclasas es inexistente lo que les da una apariencia de diaclasas soldadas o pegadas y permite dar un valor de 6 para este parámetro en el calculo del RMR, este fenómeno se observa fácilmente en toda las labores inspeccionadas, solo al inicio de la sobreguía 8 se recopilaron algunos datos de diaclasas con aperturas cercanas al medio centímetro.
201
Figura 57. Separación entre las paredes de las diaclasas.
Longitud o persistencia La persistencia o longitud de una discontinuidad se refiere a la extensión o tamaño real del plano de discontinuidad, esta característica influye en el tamaño de los bloques de roca que se forman por la intercepción de las discontinuidades y en la longitud de la zona de inestabilidad. La longitud de las discontinuidades se midió por medio de una cinta metálica colocada paralela al plano de la junta a lo largo de todo su luego se correlacionaron esos condellosRMR. dados en la tabla 77 afloramiento, para determinar el valor de este parámetro envalores el cálculo El trabajo en campo realizado sobre las 400 diaclasas identificadas en el respaldo superior del yacimiento carbonífero arrojaron los siguientes resultados: como se puede observar fácilmente en la tabla 78 y en la figura 58, más de la mitad de las diaclasas (57,75%) presentaron una longitud entre 1m y 3m, este porcentaje puede ser menor si se tiene en cuenta la dificultad para observar la continuidad de las diaclasas en algunos sectores debido a la presencia del sostenimiento de madera y a la utilización de forros con atiz. Para el cálculo del RMR este parámetro utiliza un valor de 4 que clasifica la continuidad de las diaclasas entre 1 y 3m. 202
Tabla 77. Persistencia de las discontinuidades para el cálculo del RMR.
Longitud o continuidad
Valor
<1m
6
1-3m
4
3-10m
2
10-20m
1
>20m
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999.
Tabla 78. Persistencia de las diaclasas levantadas en campo.
Persistencia
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
<1m
6
97
24,25%
1-3m
4
231
57,75%
3-10m
2
72
18%
10-20m
1
0
0
>20m
0
0
0
400
100%
Total
203
Figura 58. Continuidad de las diaclasas identificadas en campo.
Alteración de las paredes La alteración de las paredes de roca de una discontinuidad esta relacionada con el grado de meteorización que presenta debido a la presencia de agua o sobre tensiones en sus alrededores que han desencadenado la caída de bloques. Esta característica influye drásticamente en la resistencia de los labios de la discontinuidad comodel enplano la rugosidad y en la presencia de relleno lo que afecta a la resistencia así al corte de debilidad. Para determinar el grado de alteración de las discontinuidades se realiza una inspección visual a cada una de las juntas presentes y se correlaciona el estado que presenta con los valores y la descripción mostrada de este parámetro para el cálculo del RMR en la tabla 79. La inspección visual del estado de alteración de las paredes de las diaclasas permitió identificar cambios en el aspecto físico de estas con relación al de la roca adyacente, estos datos se mencionan en la tabla 80.
204
Tabla 79. Alteración de las paredes de las discontinuidades para el cálculo del RMR.
Alteración de las paredes
Valor
Inalteradas
6
Ligeramente alteradas
5
Moderadamente alteradas
3
Altamente alteradas
1
Descompuestas
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. El valor de este parámetro para el cálculo del RMR se obtiene a partir de la frecuencia relativa de ocurrencia, como se observa en la tabla 80 la descripción mas frecuentes fue paredes moderadamente alteradas a altamente alteradas, con el 27,75% y al 26,5% respectivamente, esto significa un diferencia de tan solo 5 datos, por este motivo se debe de tomar el valor mas critico para usarse en la clasificación. El valor de este parámetro para el cálculo del RMR es 1.
205
Tabla 80. Alteración de las paredes de las diaclasas levantadas en campo.
Alteración
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Inalteradas Ligeramente alteradas
6
67
16,75%
5
96
24%
Moderadamente alteradas
3
111
27,75%
Altamente alteradas
1
106
26,5%
Descompuestas
0
20
5%
400
100%
Total
Figura 59. Alteración de las paredes de las diaclasas identificadas en campo.
206
Relleno El relleno se refiere al material que esta entre los labios de una discontinuidad abierta, este material depositado allí como material producto de la filtración de aguas con sedimentos o como material producto de la trituración o rotura de la misma roca disminuye la resistencia al corte la juntadela fricción cual depende de la cohesión del material de relleno, de sudeangulo y de laentonces tensión normal sobre la diaclasa.
Tabla 81. Valores de relleno de aberturas de discontinuidades para el cálculo del RMR.
Relleno
Valor
Ninguno
6
Relleno duro <5mm
4
Relleno duro >5mm
2
Relleno blando <5mm
1
Relleno blando >5mm
0
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Debido a la existencia de diferentes tipos de relleno aparece un gran número de respuestas en lo referente a la resistencia al corte, la permeabilidad y deformabilidad de la junta. Para determinar el tipo de relleno se debe partir de la observación y de otros pequeños ensayos manuales que nos den una aproximación al tipo de material, granulometría y dureza, en la mayoría de los casos la identificación de rellenos en las juntas obedece a material proveniente de 207
la rotura y meteorización de la misma roca, en otros casos es material arcilloso y limoso que se ha desplazado por las fracturas del macizo rocoso como carga de sedimento del agua superficial o subterránea que se percola por el macizo rocoso. Una vez identificada la presencia de relleno se debe de comparar con la descripción brindada en la tabla 81 para determinar el valor de este parámetro en el cálculo del RMR Los datos sobre la presencia de relleno en las diaclasas inspeccionadas en campo se muestran a continuación en la tabla 82.
Tabla 82. Presencia de relleno en las diaclasas levantadas en campo.
Relleno
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Ninguno
6
400
100%
Relleno duro <5mm
4
0
0
Relleno duro >5mm
2
0
0
Relleno blando <5mm
1
0
0
Relleno blando >5mm
0
0
0
400
100%
Total
Como se observa en la tabla 82 y en la figura 60, no se identifico ningún tipo de relleno en las diaclasas analizadas, esto es debido a que la mayoría de las juntas están soldadas o pegadas y que en algunas zonas donde hay diaclasas abiertas el flujo de agua que las recorre lavan el poco material que puede sedimentarse entre las grietas. Por lo anterior, el valor obtenido para este parámetro en el cálculo del RMR es 6.
208
Figura 60. Presencia de relleno en las diaclasas identificadas en campo.
6.1.5 Presencia de agua La circulación de agua en los macizos rocosos se realiza principalmente por medio de las discontinuidades, sin embargo en rocas sedimentarias se produce sobre todo por los poros de la roca. La presencia de agua en un macizo rocoso disminuye su calidad, ya que afecta química y físicamente a la roca. En el caso de túneles, se debe determinar la razón de infiltración de agua superficial en litros por minuto calculados para una longitud de 10m, o en condiciones generales puede clasificarse como completamente seco, húmedo, mojado, goteando o fluyendo, si se tiene conocimiento de la presión del agua en las juntas esta se puede expresar en relación con el esfuerzo principal mayo 1 [5] para determinar su valor en el calculo del RMR a partir de la tabla 83. Para identificar la presencia de agua de infiltración en el macizo rocoso estudiado se empleo la escala descriptiva de condiciones generales a partir de la observación de las diaclasas identificadas en el respaldo superior del yacimiento carbonífero y la inspección general de algunos
[5]
ITG. Mecánica de r ocas aplicada a la minería metálica subterránea. 1991. Pág. 120.
209
puntos críticos de la mina, la información recopilada se muestra a continuación en la tabla 84.
Tabla 83. Valores de infiltración de agua para el cálculo RMR.
Presencia de agua de infiltración en el túnel
Razón de infiltración
ninguna
<10
10-25
25-125
>125
Presión del agua/1
0
<0.1
0.1-0.2
0.2-0.5
>0.5
seco
Húmedo
Goteando
Mojado
Fluyendo
15
10
7
4
0
Condi. generales
Valor
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999.
Lacercanía presencia agua de infiltración enque el macizo debe principalmente a la dede una pequeña quebrada tiene larocoso mismase dirección del inclinado 1, por lo que esta zona a partir de la sobreguía 10 comienza a mostrar rastros de humedad que se incrementa hasta finalmente identificarse un punto de alto flujo de agua en la intercepción del inclinado 1 con la sobreguía 15, a pesar de ello los datos recopilados identificaron un dominio de las condiciones secas a lo largo y ancho de la mina. En base a lo anterior, para este parámetro en el cálculo del RMR se tomo un valor de 15.
210
Tabla 84. Presencia de agua en las diaclasas levantadas en campo. Condiciones generales
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Seco
15
155
38,75%
Húmedo
10
78
19,5%
Goteando
7
83
20,75%
Mojado
4
44
11%
Fluyendo
0
40
10%
400
100%
Total
Figura 61. Presencia de agua en las diaclasas identificadas en campo.
211
6.1.6 Orientación de las discontinuidades La orientación de las discontinuidades hace referencia a la azimut y buzamiento de los planos de discontinuidad. La azimut es el angulo horizontal medido desde el norte magnético hasta el plano de la junta, mientras que el angulo de buzamiento es el angulo vertical entre la horizontal y el rocoso plano de discontinuidad. El número de familias de discontinuidades en un macizo determinan su comportamiento mecánico frente a la deformación sin rotura de roca y su aspecto tras la voladura, cuando mas persistente es la orientación entre discontinuidades menos datos son necesarios tomar.
Tabla 85. Efectos de la dirección y buzamiento de las discontinuidades en el túnel.
Rumbo perpendicular al eje del túnel
Rumbo paralelo al eje del túnel
Buzamiento en Buzamiento en Buzamiento entre dirección del túnel dirección del túnel 45º-90º entre 45º-90º entre 20º-45º
Buzamiento entre 20º-45º
Muy favorable
Favorable
Nada favorable
Pobre
Buzamiento en contra de la dirección del túnel entre 45º-90º
Buzamiento en contra de la dirección del túnel entre 20-45º
independiente de su dirección
Pobre
No favorable
Pobre
Buzamiento de 0-20º
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Este parámetro influye en la estabilidad del túnel, mientras mas paralelo este la dirección de avance de la labor con el plano de discontinuidad habrá un mayor debilitamiento de la roca adyacente, mientras que si la dirección del túnel es aproximadamente perpendicular a la dirección del plano de discontinuidad este
212
será mas estable y se presentara un menor debilitamiento de la roca adyacente a la excavación. La recopilación de azimuts y buzamientos de diaclasas a lo largo de las labores de la mina La Quiracha permitieron la obtención de los valores consignados en las tablas 87, 88 y figura 62 y 63.
Tabla 86. Ajuste para el cálculo del RMR por la orientación de las discontinuidades.
Efectos
Muy favorable
Favorable
Pobre
No favorable
Nada favorable
Túneles y minas
0
-2
-5
-10
-12
Fundación
0
-2
-7
-15
-25
Taludes
0
-5
-25
-50
-60
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. En la primera casilla de la tabla 87 se observan los intervalos de azimut que se presentaron al organizar los datos con valores sesgados 10º, claramente se observa la presencia de un sistema de diaclasa de mayor frecuencia en el intervalo de azimut [310º-320º), este intervalo representa la dirección del 46,25% de los 400 datos de diaclasas identificadas sobre el respaldo superior del yacimiento, por lo cual debe ser el sistema a tener en cuenta para determinar el valor de ajuste para el RMR. Aunque existe también otro plano de debilidad o familia de diaclasas con cerca de 80 datos en el intervalo [220º-230º) su representatividad alcanza solamente el 20% de todas las observaciones por lo que su importancia disminuye significativamente. Los demás datos pueden considerarse como juntas aleatorias o errores de medición.
213
Los buzamientos de las juntas comprendidas entre el intervalo [310-320)º tienen unos rangos de variación que se muestran a continuación en la tabla 88.
Tabla 87. Dirección de las diaclasas levantadas en campo. Orientación de las diaclasas
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
[210-220)º
55
13,75%
[220-230)º
80
20%
[230-240)º
58
14,5%
[300-310)º
4
1%
[310-320)º
185
46,25%
[320-330)º
18
4,5%
Total
400
100%
Tabla 88. Variación de los buzamientos de las juntas dentro del rango de mayor frecuencia de azimut. Angulo de
Dirección de
Frecuencia
Frecuencia
buzamiento [75º-80º)
buzamiento NE
relativa 8
relativa % 4,32%
[80º-85º)
NE
25
13,51%
[85º-90º]
NE
152
82,16%
185
100%
Total
214
Figura 62. Dirección de las diaclasas identificadas en campo.
Figura 63. Angulo de buzamiento de las diaclasas identificadas en campo.
215
El angulo de buzamiento de mayor frecuencia para el conjunto principal de diaclasas con azimut entre el intervalo [310º-320º) esta entre el intervalo [85º-90º] con el 82,2% de los 185 datos pertenecientes a este sistema principal de fracturamiento, los demás valores pueden considerarse como falsos planos de diaclasamiento o errores en la medición del buzamiento. Si consideramos que la dirección de la explotación en la mina La Quiracha es en el sentido del rumbo del yacimiento carbonífero N 30º W y la recuperación de pilares se realiza también en el mismo sentido, nuestro sistema principal de diaclasamiento es entonces casi paralelo al eje de avance de la explotación con un angulo de buzamiento que para efectos del calculo oscila entre 45º-90º. De acuerdo a lo anterior el valor de ajuste para el RMR debido a la orientación del sistema principal de diaclasas es nada favorable con valor para túneles de -12.
6.1.7 Cálculo del RMR El RMR se calcula como la suma algebraica de los valores obtenidos para los parámetros expuestos: a. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca: 2 b. Índice de calidad de la roca (RQD): 20 c. Espaciamiento de las discontinuidades: 8 d. Condición de las discontinuidades: 17 -
Rugosidad de las paredes de las diaclasas: 0
-
Separación de las paredes de las diaclasas:6
-
Persistencia de las discontinuidades:4
216
-
Alteración de las paredes de las juntas: 1
-
Presencia de relleno en las fracturas: 6
e. Condiciones de agua subterránea: 15 f. Orientación de las discontinuidades: -12 El valor del RMR para la zona de influencia directa de la explotación de la mina La Quiracha es de 50, esto lo clasifica como un macizo de roca clase III regular.
Tabla 89. Clasificación del macizo rocoso a partir del RMR.
RMR
81-100
61-80
41-60
21-40
<21
Clase
I
II
III
IV
V
Descripción
Muy buena roca
Buena roca
Roca regular
Roca pobre
Roca muy pobre
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999.
6.1.8 Aplicación y limitaciones del RMR [6] El RMR puede usarse para estimar una gran cantidad de parámetros tales como el ancho de excavación que no necesita sostenimiento, la presión de sostenimiento y el tiempo de permanencia de la excavación sin sostenimiento, también puede utilizarse para seleccionar el método mas adecuado de excavación y el sistema de sostenimiento permanente. [6]
BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Pág. 3945.
217
El RMR ofrece la posibilidad de identificar algunas características geomecánicas del macizo rocoso estudiado como: la cohesión, el angulo de fricción interna, el modulo de deformación del macizo rocoso y la presión portante permisible, todas estas propiedades calculadas a partir de correlaciones matemáticas deben ser tratadas con mucho cuidado y utilizarse solo para estudios preliminares de factibilidad de diseño. Así como el sistema de clasificación geomecánica de macizos rocosos desarrollado por Bieniawski (RMR) ofrece una gran variedad de aplicaciones, su uso se condiciona a una serie de limitaciones ya que este sistema es inapropiado en formaciones compuestas por rocas expansivas y fluyentes y los sostenimientos propuestos a partir de esta clasificación deben considerarse orientativos y están probablemente sobredimensionados para profundidades y secciones menores a las concebidas. Este sistema mantiene que la influencia de la orientación e inclinación de las discontinuidades es menos importante de lo que en un principio se podría suponer, sin embargo hay unos pocos casos, enestán materiales tipo esquistoque o pizarras, donde las características estructurales tan desarrolladas tenderán a dominar la conducta del macizo rocoso. En otros casos pueden llegar a quedar bloques aislados mediante un número pequeño de discontinuidades y llegar a causar problemas de inestabilidad cuando se avanza en la excavación.
6.2 CALCULO DEL ROCK MASS INDEX (PALMSTROM 1995)
El índice del macizo rocoso (RMi) es una parámetro querocoso, indica, fue de forma aproximada, la resistencia uniaxial compresiónvolumétrico de un macizo desarrollado por Arild Palmstrom en 1995 como resultado de su tesis doctoral para optar al titulo de Ph.D en la Universidad de Oslo, Noruega. El índice del macizo rocoso, RMi, fue desarrollado para caracterizar la resistencia de el macizo rocoso para fines de construcción de túneles, un gran problema que ha tenido el uso de esta clasificación radica en la identificación en campo de los parámetros de entrada que tienen una amplia significancia en el diseño ingenieril.
218
El RMi aplica solo parámetros intrínsecos del macizo rocoso, y esta basado principalmente en la reducción de la resistencia de la roca causada por el diaclasamiento.
Tabla 90. Clasificación del RMi (Palmstrom 1995).
Descripción
Por el RMi
Relacionada con la resistencia del macizo rocoso
RMi (MPa)
Extremadamente baja
Extremadamente débil
< 0,001
Muy baja
Muy débil
Baja
Débil
0,01-0,1
Moderado
Media
0,1-1
Alto
Dura
1-10
Muy alto
Muy dura
Extremadamente alto
Extremadamente dura
0,001-0,01
10-100 >100
Fuente: PALMSTROM A. A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, 1995. El RMi utiliza una serie de parámetros del macizo rocoso para determinar la resistencia a la compresión del macizo, adicionalmente este sistema de clasificación puede utilizarse para determinar las contantes del criterio de rotura de Hoek y Brown, para el diseño de sostenimiento de túneles, para la caracterización
219
de la deformabilidad y resistencia del macizo y para determinar el grado de penetración de las maquinas tuneladoras de sección completa o TBM. El RMi se puede expresar de dos formas distintas dependiendo del tipo de macizo rocoso. Para macizos rocosos diaclasados y estratificados el RMi se obtiene por medio de la siguiente ecuación: RMi= C*Jp Los parámetros de la ecuación vista para el cálculo del RMi para macizos rocosos estratificados y diaclasados se explican a continuación:
6.2.1 Resistencia a la compresión uniaxial de la roca
Este parámetro hacesobre referencia a laderesistencia la compresión uniaxial de se la roca intacta medida muestras 50 mm dea diámetro, este parámetro describe con mayor detalle en la sección 5.5. El valor de la resistencia a la compresión promedio para la zona de influencia directa de la excavación es 23,5 MPa. (Ver sección 6.1.1)
6.2.2 Factor de diaclasado Jp El parámetro del diaclasado incorpora los principales rasgos del macizo rocoso, es una combinación del tamaño del bloque medido como su volumen (Vb) y el factor de condición de las discontinuidades (Jc). Sus valores pueden encontrarse por medio de la siguiente ecuación: Jp= 0,2*((Jc))*(Vb (D)) El Vb, es el volumen del bloque medido o expresado en m 3; generalmente se utiliza el volumen promedio. El volumen del bloque esta relacionado con el grado de fracturamiento, cuando se presenta un amplio grado de fracturamiento el volumen de los bloques formados por la intercepción de los planos de discontinuidad es mucho mas pequeño que cuando se presentan pocas familias de juntas. Se puede calcular como:
220
Vb= (S1*S2*S3) / ((sen1) (sen2) (sen 3)) Donde; S1, S2, S3 son los espaciamientos promedio entre las familias de juntas y 1, 2 y 3 son los ángulos entre las familias de juntas, para este caso se utiliza el valor de Vb= 0,09 m3 determinado anteriormente para obtener el valor del RQD en el calculo del RMR. El termino Jc es conocido como el factor de estado (o condición) de las diaclasas, el cual es una medida combinada de: el factor de tamaño y continuidad de las diaclasas (jL), el factor de rugosidad de las diaclasas (jR), y del factor de la alteración delas diaclasas (jA); expresado como: Jc= (jL*jR)/(jA) El factor de condición de las juntas puede definir las propiedades de fricción de las caras de los bloques y la escala del efecto del diaclasamiento. El término (D), es un factor en función de Jc y se calcula por tablas o por medio de la siguiente ecuación: D= 0,37Jc-0,2
6.2.3 Factor de alteración de las juntas (jA)
El factor alteración de las es un fundamental enelel estado cálculo del RMi, sudedeterminación sejuntas realiza enparámetro campo identificando de meteorización o desgaste de cada una de las familias o planos de discontinuidad presentes a lo largo y ancho del túnel a partir de una tabla valorativa basada en la tabla para jA del sistema Q de Barton. El parámetro jA, representa la resistencia de las paredes de la junta y el efecto del relleno y las capas de material adyacentes. La resistencia de las paredes de la discontinuidad es un parámetro muy importante en la resistencia al corte de la junta sobre todo cuando no hay relleno. La resistencia de la superficie de la junta
221
depende de las condiciones de la superficie de la junta (limpieza), el tipo de material cercano a la junta y la forma, espesor y tipo de relleno.
Tabla 91. Factor de alteración de las juntas para el cálculo del RMi. a. Existe contacto entre las paredes de las juntas.
Características de las paredes de la junta
Condición
Pegadas o soldadas
Valor
Relleno de cuarzo
Roca inalterada (fresca) Diaclasas juntas o limpias
Sin
cubierta
o
0,75 relleno,
1
decoloración Un grado de alteración mayor al de la roca
2
Dos grados de alteración
4
Materiales de fricción
Arena, limo, calcita, no hay arcilla.
3
Materiales cohesivos
Arcilla, clorita, talco
4
Superficies alteradas
Cubiertos o rellenos de poco espesor
Fuente: PALMSTROM A. A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, 1995. Cuando la alteración ha tenido lugar la resistencia de las paredes de la junta es solo una fracción de la que se puede obtener en las paredes frescas del bloque, por lo que determinar la alteración de las paredes de la junta en relación con la roca adyacente fresca es de gran importancia en el cálculo del factor (Jc). El valor del factor de alteración de las paredes de las juntas se calcula por medio de la
222
observación de los diferentes tipos de discontinuidades y familias de juntas presentes en el macizo rocoso a partir de la tabla 91.
b. Sin contacto o con contacto parcial entre las paredes de las juntas.
Contacto parcial
Sin contacto
Relleno fino <5mm
Relleno grueso
Arena, limo, calcita sin reblandamiento
4
8
Material duro y Relleno compacto de cohesivo arcilla, clorita y talco
6
6-10
Arcilla de baja o media Material blando sobreconsolidación, y cohesivo clorita y talco
8
12
8-12
13-20
Relleno de:
Tipo de relleno
Material ficcional
Material arcilloso expansivo
y
Materiales de rellenos expansivos
Fuente: PALMSTROM A. A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, 1995. En la tabla 92, se describen los resultados obtenidos en la identificación del factor de alteración con la inspección de los 400 datos de diaclasas levantados en campo. Como se observa en la tabla 92 y en la figura 64, el 49% de las diaclasas analizadas presentan superficies con un grado de alteración mayor al de la roca adyacente mientras que el 32,25% presenta más de un grado de alteración. La alteración de las paredes de las diaclasas se reconoce en campo como decoloraciones o patinas de diferente color al de la roca, cambios en la resistencia al tacto o presencia de roca triturada en las paredes y presencia de cubiertas de material alterado. A partir de los datos tomados en campo para este parámetro en el cálculo del RMi se emplea un valor de 2.
223
Tabla 92. Factor jA de las diaclasas levantadas en campo.
Factor de alteración
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
Roca inalterada, sin relleno, excepto decoloración
1
75
18,75%
Superficie alterada un grado mas que el de la roca adyacente
2
196
49%
Superficie alterada dos grado mas que el de la roca adyacente
4
129
32,25%
400
100%
Total
Figura 64. Factor jA de las paredes de las diaclasas.
224
6.2.4 Factor de rugosidad de las juntas (jR) El factor de rugosidad de las juntas es otro factor de gran importancia en el cálculo del RMi para macizos diaclasados, este parámetro es similar al jR del sistema Q de Barton (1974), esta clasificación incluye las rugosidades a pequeña escala (asperezas) las rugosidades a gran escala debido a la facilidad que brinda alymomento de utilizar las tablas de(ondulaciones), valoración.
Tabla 93. Factor de rugosidad de las juntas para el cálculo del RMi. Suavidad del plano a pequeña escala
Ondulación del plano a gran escala
Características
Plana
Ligera ondulación
Ondulada
Altamente Escalonada ondulada
Muy rugoso
2
3
4
6
6
Rugoso
1,5
2
3
4,5
6
Suave
1
1,5
2
3
4
Pulido o espejo de falla, muy
0,5
1
1,5
2
3
suave Para diaclasas rellenas jR: 1, para diaclasas irregulares jR: 5 Fuente: PALMSTROM A. A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, 1995. Para determinar el factor jR se debe hacer una inspección cuidadosa de cada una de las familias de discontinuidades con el fin de determinar por medio del tacto y de una tabla valorativa (Ver figura 55) el grado de rugosidad de las paredes de las
225
juntas, teniendo en cuenta las expresiones de rugosidad a pequeña y gran escala, como se muestra en la siguiente tabla 93. En la tabla 94, y en la figura 65 se consignan los valores asignados a jR en la identificación de los sistemas de diaclasas en campo.
Tabla 94. Factor de jR de las diaclasas levantadas en campo. Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
6
21
4,25%
4.5
7
1,75%
4
21
5,25%
3
55
13,75%
2
17
4,25%
Plano de falla o pulido, ondulado
1,5
40
10%
Suave, plana
1
106
26,5%
Plano de falla o pulido, plano
0.5
133
33,25%
400
100%
Rugosidad Muy rugoso, altamente ondulado Rugoso, altamente ondulado Suave, escalonado Plano de falla o pulido, escalonado Rugoso, ligeramente ondulado
Total
Los datos tabulados muestran que el 33,25% de las 400 juntas analizadas coincidieron en presentar una rugosidad muy suave o pulida caracterizada como
226
un plano de falla o espejo de falla muy liso sin ningún tipo de aspereza o ondulación, por otro lado el 26% presento un plano de falla suave con algo de ondulaciones y el 13,75% coincidió en una rugosidad semejante al espejo de falla pero en la cual se evidenciaba un escalonamiento en las paredes de las juntas, este análisis permite dar un valor a este parámetro de 0,5 para el calculo del RMi. Hay que tener en cuenta que solo el 10,25% de los 400 datos de diaclasas, es decir cerca de 40 juntas presentaron algún tipo de rugosidad marcada de alta ondulación y aspereza, y el valor restante presentaron diferentes tipos de suavidad.
Figura 65. Factor jR de las paredes de las diaclasas.
6.2.5 Factor de continuidad de las juntas (jL) El factor de tamaño y continuidad de las juntas tiene un fuerte influencia en las dimensiones de la zona de inestabilidad dentro de un túnel, así como en la ubicación de puntos de refuerzo para el sostenimiento y la formación de bloques,
227
su calculo depende al igual que los otros dos factores ya expuestos, de una inspección en campo de las diferentes familias de discontinuidades presentes en el túnel, para determinar su valoración a partir de la aplicación practica de una tabla que relaciona los tipos de discontinuidades y su longitud para el calculo del factor jL. El factor jL es una función del espesor o separación de las juntas, y puede expresarse como: jL= 1,5(L)-3 Donde L es la longitud promedio de las juntas en m. Al momento de utilizar la tabla de valoración es importante tener en cuenta que una junta continua es aquella que termina en otras juntas, mientras que una junta discontinua termina en rocas ígneas.
Tabla RMi. 95. Factor de tamaño y continuidad de las juntas para el cálculo del
Tipo División de estratificación foliación
Diaclasas juntas
la o
o
Junta sellada, dique o cizalla
Longitud
Tamaño
Juntas continuas
Juntas discontinuas
< 0,5m
Muy corto
3
6
0,1-1m
Corto o pequeño
2
4
1-10m
Mediano
1
2
10-30m
Grande o largo
0,75
1,5
>30m
Muy grande
0,5
1
Fuente: PALMSTROM A. A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, 1995.
228
Los datos sobre continuidad y tamaño de los sistemas de diaclasas identificados en campo se observan a continuación en la tabla 96 y en la figura 66.
Tabla 96. Valores de jL para las diaclasas levantadas en campo.
Factor de tamaño
Valoración
Frecuencia relativa
Frecuencia relativa %
0.1-1m
2
96
24%
1-10m
1
304
76%
10-30m
0.75
0
0
400
100%
Total
Figura 66. Factor jL de las diaclasas.
229
De los 400 datos de diaclasas identificados en el respaldo superior del yacimiento carbonífero de la mina La Quiracha, cuyos datos estructurales así como características geomecánicas se levantaron se obtuvo que el 76% de ellas tenían una longitud o continuidad entre 1-10m, mientras que el 24% restante tiene longitudes superiores entre el intervalo de 0,1-1m, esto indica que para el calculo del RMI el factor jL debe usar un valor de 1. Hay que tener en cuenta que esta clasificación emplea un intervalo de longitud muy grande y que por el RMR se sabe que el intervalo mas apropiado es de (1-3) m.
6.2.6 Calculo del RMi Para finalmente calcular el RMi se debe de determinar los siguientes parámetros, por las formulas ya definidas y los valores asignados una vez analizada la información recopilada en campo, los valores encontrados fueron: -
Parámetro de diaclasado Jp= 0,031
-
Factor de condición de las diaclasas Jc = 0,25
-
Factor grado de alteración de las juntas jA = 2
-
Factor continuidad y tamaño de las discontinuidades jL = 2
-
Factor de rugosidad de las juntas jR= 0,5
-
Volumen del bloque Vb= 0,09 m3
-
Factor D= 0,488 RMi= C*Jp
230
El valor del RMi para la zona de influencia directa explotación de la mina La Quiracha es de 0,73MPa, de acuerdo a la clasificación de Palmstrom, clasifica esta zona como una roca de dureza moderada media, esto es un indicador de que las características del respaldo superior del yacimiento carbonífero permiten la formación de bloques de tamaño y volumen medio.
6.2.7 Aplicaciones y limitaciones del RMi [7] El RMi, tiene un amplio campo de aplicación, encaminado principalmente al diseño de túneles y sistemas de sostenimiento, fue desarrollado recientemente en comparación con otros sistemas de clasificación geomecánica y en la actualidad aun se profundiza en el desarrollo de sus conceptos. Entre las aplicaciones del RMi se encuentran: cálculos de fragmentación y voladuras, evaluación del progreso de excavaciones con TBM, cálculo de los parámetros m y s del criterio de Hoek y Brown (1988), Cálculos en el nuevo método de túnelo australiano (NATM), diseño de sostenimiento de túneles, cálculos de modulo de deformación y calculo de la resistencia al corte de macizos rocosos, entre otras. El RMi se restringe a expresarsimple la resistencia la compresión del de macizo rocoso en una expresiónsolo matemática reducidaa con la inclusión los parámetros de diaclasamiento más influyentes en el comportamiento mecánico del macizo rocoso que afectan los trabajos de excavación y avance de túneles, al contrario de lo expuesto en el criterio de falla generalizado expuesto por Hoek y Brown (2002), esto claramente puede conducir a que en algunas circunstancias los resultados obtenidos por el RMi se han inadecuados o estén limitados en aplicación. El RMi según Singh y Goel (1999) tiene tres limitaciones para su aplicación, entre ellas se puede discutir que: no es posible caracterizar las enormes variaciones de propiedades y composición de un macizo rocoso en un simple número, la inexactitud que supone el parámetro Jp calculado a partir de jR, jL, jA y Vb cuando no se recopila un gran numero de datos de discontinuidades e información de las características estructurales del macizo rocoso para garantizar la representatividad del tamaño de bloque calculado, y el efecto de la combinación de parámetros que varían de rango.
6.3 CORRELACIONES Una ventaja del uso de clasificaciones geomecánicas de los macizos rocosos es la posibilidad de corroborar los datos obtenidos por un sistema específico con otros sistemas de clasificación. [7]
BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999. Pág. 116118.
231
El presente estudio plantea la correlación del valor obtenido con la aplicación del sistema de clasificación geomecánica RMR de Bieniawski 1989 con los sistemas de clasificación Q de Barton (1974) y el GSI de Hoek y Brown (1997) a partir de modelos matemáticos sencillos.
6.3.1 (1974)Correlación entre el RMR de Bieniawski (1989) y el sistema Q de Barton Figura 67. Relación entre el RMR y Q.
Fuente: PALMSTROM A. Comparing RMR, Q and RMi Classification System , 2008. Bieniawski en 1989 uso 117casos históricos donde se habían empleado por separado los dos sistemas de clasificación geomecánica de macizos rocosos, este estudio incluyo 68 casos en Escandinavia, 28 casos en Sudáfrica y 21 casos en Estados Unidos, finalmente propuso la siguiente correlación:
232
RMR= 9Ln(Q) + 44 Otras relaciones fueron propuestas por Moreno (1980), Clarke y Budavari (1981) y Abad (1984), sin embargo la ecuación que presenta el mayor coeficiente de correlación es la ecuación propuesta por Rutledge y Preston (1978), a continuación se muestran las relaciones mencionadas: Moreno (1980): RMR= 5,4Ln(Q) + 55,2 Clarke y Budavari (1981): RMR= 5Ln(Q) + 68 Abad (1984) et. al.: RMR= 10,5Ln(Q) + 41,8 Rutledge y Preston (1978): RMR= 5,9Ln(Q) + 43 Para nuestro caso se emplea la relación con el mayor coeficiente de correlación es decir la ecuación de Rutledge y Preston (1978). La ecuación de Rutledge y Preston ofrece el menor grado de dispersión de datos con relación a la línea de regresión matemática. Despejando Q de esa ecuación nos queda: Q= e (RMR-43)/5,9 si RMR= 50; Q= 3,3 Si empleamos la formula mas reciente desarrollada por Bieniawski (1989) que tiene un coeficiente de correlación de 0,77 el valor de Q seria: Q= e (RMR-44)/9 si RMR= 50; Q= 1,95
233
Tabla 97. Coeficientes de correlación para las relaciones RMR y Q.
Autor
Coeficiente de correlación
Bieniawski (1989)
0,77
Rutledge y Preston (1978):
0,81
Moreno (1980)
0,55
Clarke y Budavari (1981)
Alta dispersión
Abad (1984) et. al.
0,66
Tabla 98. Clasificación de Barton (1974) para macizos rocosos. Índice de calidad Q.
Valor de Q
Grupo
Clasificación
400-1000
1
Excepcionalmente buena
100-400
1
Extremadamente buena
40-100
1
Muy buena
10-40
1
Buena
4-10 1-4
2 2
Media Mala
0,1-1
2
Muy mala
0,01-0,1
3
Extremadamente mala
0,001-0,01
3
Excepcionalmente mala
Fuente: PALMSTROM A. Comparing RMR, Q and RMi Classification System , 2008. 234
De acuerdo a la clasificación de Barton (1974) y considerando el valor de Q= 3,3, el macizo rocoso estudiado tiene una calidad mala y se encuentra ubicado en el grupo 2.
6.3.2 Correlación entre el RMR de Bieniawski (1989) y el GSI de Hoek y Brown (1997) Hoek y Brown en 1997, introdujeron el concepto del índice de resistencia geológica o (GSI) por sus siglas en ingles, para macizos rocosos formados por roca débil y roca dura, este es un sistema de clasificación rápido, sencillo y todavía confiable, basado en la inspección visual de las condiciones geológicas del macizo rocoso. Hoek y Brown (1997), dedujeron dos ecuaciones basadas en el RMR de Bieniawski (1989) para estimar el valor real del GSI luego de una inspección visual del macizo rocoso: GSI= RMR – 5, valido para GSI >=18 o RMR >= 23 La expresión anterior no es valida para macizos rocosos de pobre calidad donde es difícil obtener el valor del RMR, debido a esto se recomienda utilizar la siguiente ecuación en el caso de macizos rocosos con valores de GSI<18; GSI= 9Ln(Q’) + 44 En esta ecuación Q’ representa el índice de calidad de excavación modificado, y
se define por la siguiente ecuación: Q’= (RQD/Jn)*(jR/jA)
Donde: Jn: es el factor de número de familias. jR: es el factor de rugosidad de las juntas.
235
jA: es el factor de alteración de las juntas. Para esta ecuación se puede usar los valores obtenidos de los factores jA y jR en el cálculo del RMi consignados en las tablas 91 y 93, para determinar el factor Jn se usa el siguiente cuadro:
Tabla 99. Factor de número de familias para el cálculo de Q de Barton (1974).
Numero de familias de discontinuidades
Jn
Masiva sin o pocas familias de juntas
0,5-1
Una familia
2
Una familia mas una aleatoria
3
Dos familias
4
Dos familias mas una aleatoria
6
Tres familias
9
Tres familias mas una aleatoria
12
Cuatro o mas familias, aleatorias, alto diaclasamiento
15
Roca triturada
20
Fuente: BHAWANI AND GOEL. Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, 1999.
236
Figura 68. Tabla de inspección visual del Macizo Rocoso para el cálculo del GSI (Hoek y Brown 1997).
Fuente: HOEK. Practical Rock Engineering, 2007.
237
Para nuestro caso se tiene un RMR= 50, por lo que se puede emplear la ecuación propuesta por Hoek y Brown en 1997. GSI= RMR – 5, La ecuación propuesta es valida para GSI >=18 o RMR >= 23, de acuerdo a esto el GSI es: GSI= 50- 5= 45 De acuerdo a la figura 68, y al valor de GSI= 45, la zona de influencia directa de la explotación se clasifica como un macizo pobre o de calidad regular con diaclasas de baja rugosidad, meteorizado y con paredes de juntas moderadamente alteradas, y la estructura superficial puede considerarse como un macizo diaclasado con bloques cúbicos tabulares formados 3 familias de diaclasas, parcialmente disturbado.
6.4 APLICACIÓN DEL SOFTWARE ROCLAB Roclab, es un software de mecánica de rocas desarrollado por Rocscience Inc. en base al criterio de rotura de Hoek y Brown (2002) y en lo expuesto por Hoek (2006) sobre la Estimacion practica del modulo del macizo rocoso. Roclab es un software de acceso gratuito que se acopla también a programas de modelamiento numérico como Phase 2D y permite obtener los parámetros geomecánicos mas importantes del macizo rocoso como resistencia a la tracción, resistencia a la compresión uniaxial, modulo de deformación, angulo de fricción interna, cohesión, etc. unos necesarios para el modelamiento a partir la introducción de parámetros geomecánicos dedeexcavaciones, las rocas que se de pueden obtener directamente de ensayos y formulas matemáticas o se pueden obtener de tablas valorativas facilitadas por el mismo software. A continuación se resumen en tablas los valores introducidos en el software, y los resultados arrojados por el para distintas profundidades, las graficas de esfuerzo principal mayor vs esfuerzo principal menor, esfuerzo cortante máximo vs esfuerzo normal y la envolvente de Mohr se muestran en el anexo C. Se debe tener en cuenta que los parámetros encontrados son calculados para la zona de influencia directa de la excavación propuesta en la sección 5.6.1.
238
Tabla 100. Valores de entrada al software Roclab.
Parámetro
Valor
Método de cálculo
Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta (MPa)
23,5
Ensayo a compresión simple
GSI(Hoek y Brown 1997)
45
Correlación con el RMR
Constante del macizo mi
8.6
Por tablas (Ver figura 69) ponderado para la zona de influencia directa de la excavación
Disturbance factor D
0
Por tablas (ver figura 70)
Modulo intacto del M.R Ei (MPa)
3672
Ensayo a compresión simple
Modulo ratio (M.R)
156,25
Correlación con el Ei y C
Aplicación Densidad promedio de la roca (MN/m3)
Túneles 0,024
Profundidad del túnel (m)
Medición directa sobre probetas
100-350-600
239
Figura 69. Calculo de la constante del macizo rocoso m i.
Tabla 101. Valores de cohesión y angulo de fricción para distintas H, calculados por el Roclab.
Parámetro
H=100
H=350m
H=600m
Cohesión MPa
0,374
0,772
1,066
Angulo de fricción
41,10º
31,41º
27,36º
Esfuerzo máximo principal menor (MPa)
1,15
3,74
6,21
240
Tabla 102. Parámetros de resistencia del macizo rocoso calculados por el Roclab.
Parámetro
MPa
Parámetro
valor
Resistencia a la tensión
-0,043
mb
1,206
Resistencia a la compresión uniaxial
1,053
s
0,0022
Modulo de deformación
821,24
a
0,508
Figura 70. Calculo del factor D para túneles.
241
