CLASIFICACION GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS METODO TERZAGHI , CSIR (Bieniawski) Y NGI

CLASIFICACION GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS METODO TERZAGHI , CSIR (Bieniawski) Y NGI

Ing. Héctor Fabio Urrea campos

1. CLASIFICACION GEOLOGICA DE LAS ROCAS:

Ejem

Granito Diorita Basalto Andesita

Caliza Dolomita Arenisca Lutita

2. CLASIFICACION DE ROCAS POR RESISTENCIA:

[Escribir texto]

Gneiss Esquistos Cuarcita Pizarras



3. CLASIFICACION GEOMECÁNICA DE LOS MACIZOS ROCOSOS En mecánica de rocas se ha venido desarrollando una serie de clasificación es geomecánicas, que utilizan como parámetros de identificación de un macizo rocoso desde la descripción visual, hasta clasificaciones en las que se necesitan exploraciones y ensayos de laboratorio sobre muestreos representativos para la clasificación de un macizo. Estas clasificaciones han tenido una gran utilización en el diseño y construcción de excavaciones subterráneas. En la clasificación se pretende determinar la calidad del macizo para establecer si necesita o no algún tipo de soporte o revestimiento. Antes de presentar las clasificaciones geomecánicas de rocas se ilustran algunas expresiones utilizadas en excavaciones subterráneas. En la Figura 1,1 se presenta la sección de un túnel tipo baúl y un corte transversal. Clave: Arco semicircular, para la sección tipo baúl, localizada en la parte superior de la excavación y que va desde la zona horaria 3 hasta la zona horaria 6. Solera: zona recta o curva que forma la base de la excavación y que es recta para una sección tipo baúl, ver figura 1.1.a. Cobertura: distancias perpendicular más corta desde la clave de la excavación hasta la superficie del terreno, en cada sitio del túnel se tiene una cobertura deferente. Soporte: Consiste en los elementos temporales instalados en la excavación para impedir la deformación y mantener abierto el túnel. El revestimiento pueden ser los mismos elementos en concreto con pernos, arcos de acero, madera y otros menos convencionales que se utilizan para proteger y estabilizar la excavación en forma definitiva.

Figura 1.1. Sección y corte transversal de una excavación

[Escribir texto]



Método de Terzaghi: EL CONCEPTO USADO POR TERZAGHI REPRESENTA EL MOVIMIENTO DE ROCA SUELTA HACIA EL TUNEL.  Durante la construcción del Túnel habrá algún relajamiento de la cohesion de la formación rocosa arriba y en los lados del túnel.  La roca suelta dentro del área a c d b tendera a interrumpir en el túnel.  A este esfuerzo se opondrán fuerzas de fricción a lo largo de los límites laterales a c y b d y estas fuerzas de fricción transfieren la parte más importante del peso de la carga de roca W al material de los lados del túnel.  El techo y los lados del túnel no tienen que soportar más que el resto de la carga que equivale a una altura Hp.  El ancho B1 de la zona de la roca donde existe movimiento, dependerá de las caracteristicas de la roca y de las dimensiones Ht y B del túnel. B1 = B + 0,5 Hp TERZAGHI REALIZO MUCHAS PRUEBAS EN MAQUETAS, UTILIZANDO ARENA SIN COHESION PARA ESTUDIAR LA FORMA DE LO QUE EL LLAMABA EL “ARCO DEL SUELO” ENCIMA DEL TUNEL

[Escribir texto]



CLASIFICACION DE TERZAGHI PARA TUNELES Soporte de marcos de acero de túneles en roca a una profundidad mayor a (1,5B+Ht)

1 2 3 4 5

6

7 8

9

Los valores de 4 a 6 se pueden reducir en un 50% si el techo del túnel esta permanentemente arriba del NAF

[Escribir texto]



Definiciones Roca Inalterada: No tiene fisuras, ni estratificación o juntas. Por lo tanto, cuando se produce un desplazamiento relativo entre puntos, lo hace a través de la roca sana durante la excavación y debido al fractura miento que se causa en la roca por el uso de explosivos durante el proceso de construcción, la falla que se puede presentar es la caída de bloques del techo o de la clave, varias horas ovarios días después de la voladura, esta condición se llama desprendimiento. La roca dura, inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo que implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del techo de la excavación producto del alto nivel de esfuerzos al que queda sometida la periferia de excavación, que en ese momento está haciendo de soporte. Roca Estratificada Está constituida por capas unitarias de roca con poca o ninguna resistencia a la separación a lo largo del plano de contacto entre estratos. La capa puede haberse debilitado debido a fracturas transversales existentes o generadas por el proceso de construcción de la excavación subterránea. Los desprendimientos son más comunes en este tipo de rocas debido a los planos de debilidad existentes. Roca Medianamente Fisurada Tiene fisuras y discontinuidades pero los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente encajonados, que las paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas de este tipo, se puede presentar a la vez desprendimiento y chasquido. Roca Agrietada en Bloques: Es una roca químicamente inalterada o casi inalterada cuyos fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no encajonados. Esta clase de roca puede necesitar soportes laterales en las paredes de la excavación. Roca Triturada: Pero químicamente sana tiene la apariencia de ser un producto de trituradora. Si los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha habido recementación, la roca triturada que está abajo del nivel de las aguas freáticas tiene las propiedades de una arena saturada.

[Escribir texto]



Roca Comprimida: Avanza lentamente hacia el interior del túnel sin aumento perceptible de volumen. Un prerrequisito de comprensión es un porcentaje elevado de partículas microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansibilidad. Roca Expansiva: Avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La capacidad de esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales arcillosos como la montmorillonita, con una alta capacidad de expandirse, y generar deformaciones a altas presiones sobre el refuerzo.

Índice de calidad de la roca (RQD) Deere propuso un índice cuantitativo para hablar de la calidad del macizo rocoso y está basado en la recuperación de núcleos con una longitud determinada, en una perforación con recuperación total. Este parámetro es un muy buen indicativo del grado de fracturamiento o del número de diaclasas que se pueden encontrar en el macizo. El RQD se puede expresar en porcentaje de acuerdo a la longitud de los núcleos mayores de 10 cm.

(1.1) Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico del RQD y la calidad de la roca. Tabla 1.1. Valor del RQD, según Deere

El Índice de Calidad de la Roca RQD no puede ser utilizada como único parámetro para clasificar el material rocoso, pues cuando existen diaclasas que se encuentran rellenas con un material de baja resistencia o características expansivas, la estabilidad de los depósitos y o de las construcciones sobre estos va a depender de estos materiales y no de la resistencia intrínseca de la roca. [Escribir texto]



Propuesta de Stini y Lauffer Stini en su manual de geología de túneles propuso una clasificación para los macizos rocosos y comentó muchas de las condiciones adversas que pueden encontrarse en la construcción de túneles. Insistió sobre la importancia de los defectos estructurales de la roca y recomendó que la orientación de excavación no fuera paralela al rumbo de discontinuidad, o fuera muy inclinada. Lauffer hizo énfasis sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo en un túnel, que se denomina tiempo de auto soporte o de sostén y es el lapso durante el cual una excavación será capaz de mantenerse abierta, sin desprendimientos y ningún tipo de soporte, mientras que el claro activo es el espacio o longitud de la excavación sin soporte, y corresponde al espacio del túnel que puede corresponder a la distancia entre el frente de la excavación y la instalación del soporte o en casos críticos, de roca muy fracturada o de baja resistencia, al ancho o a una parte del ancho de la excavación. En la figura 1.2 se muestra la posible ubicación del claro activo. De acuerdo a condiciones geológicas y observaciones de comportamientos de excavaciones en diferentes materiales, se establecen rocas tipo A, B, C, D, E, F y G; las cuales corresponden a una descripción detallada del tipo de material y las características geotécnicas. Una vez identificado el tipo de material se puede determinar el espacio y el tiempo de auto soporte según la Figura 1.3. Donde, A corresponde una roca muy buena, poco fracturada y de gran resistencia es decir a la roca inalterada y dura de la clasificación propuesta por Terzaghi y G la roca muy fracturada y de baja resistencia o la roca comprimida o expansiva de Terzaghi, la franja achurada en la Figura 1.3 es el rango recomendado, por los autores de la teoría.

B

Figura 1.2 Definición del claro activo según Lauffer

[Escribir texto]



Índice de calidad de roca de Deere De acuerdo a lo expuesto el RQD también se utiliza como una clasificación geomecánica de un macizo rocoso. Es necesario tener la información de una perforación, con la cual se puede hallar el RQD y con este se puede utilizar la Figura 1.4 donde se determina si la excavación necesita soporte.

Figura 1.3 Relación claro activo y tiempo de sostén

Cording, Hendron y Deere modificaron el factor de carga de roca de Terzaghi y relacionaron este valor modificado con el RQD como lo muestra la Figura 1.4 para la selección del refuerzo para los túneles.

Esta clasificación sugiere que puede haber una correlación razonable entre el RQD y el factor de carga de roca de Terzaghi para excavaciones con revestimientos en arcos de acero, pero que esta correlación desaparece en el caso de que una excavación sea reforzada con pernos o anclas de acero.

[Escribir texto]



Figura 1.4 Relación aproximada entre el factor de carga de roca de Terzaghi (modificado) según Cording, Hendron y Deere.

Clasificación CSIR de los macizos rocosos fisurados No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo del macizo rocoso o de la roca que rodea la excavación. Por lo tanto, en esta clasificación se consideró necesario incluir alguna combinación de los factores RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización, el CSIR, Consejo de África del Sur para la Investigación Científica e Industrial, propuso una clasificación de este tipo. Bieniawski, coautor de esta clasificación CSIR propone que una clasificación geo mecánica de un macizo rocoso fisurado incluye las siguientes ventajas: Divide el macizo en grupos de comportamiento similar. Proporciona una buena base para la comprensión de las características del macizo. Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería.

[Escribir texto]



Proporciona una base común de comunicación efectiva para todas las personas interesadas en un problema de geomecánica. Este propósito se logra si la clasificación geomecánica a utilizar tiene las siguientes características: Es sencilla y significativa en sus términos. Se apoyó en parámetros que se dejan medir y pueden establecerse en el campo de manera rápida y económica. Parámetros base de la clasificación Para cumplir con los dos requisitos anteriores Bieniawski propuso originalmente que su “clasificación geomecánica” comprendiera los siguientes parámetros: RQD (Índice de calidad de la roca), grado de la meteorización, resistencia a la comprensión uniaxial de la roca inalterada, distancia entre sí de fisuras y estratificación, orientaciones del rumbo y el buzamiento, Separación de las fisuras, continuidad de las fisuras e infiltraciones de aguas subterráneas. Después de ajustes a la clasificación propuesta los cinco parámetros básicos utilizados para la cuantificación de las propiedades del macizo son: 1. Resistencia de la roca inalterada. Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión de la roca que proponen Deere y Miller. 2. RQD: Corresponde al índice de calidad de la roca propuesto por Deere.

[Escribir texto]



3. Espaciamiento de fisuras. El término fisura se utiliza para toda clase de discontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. 4. El estado de las fisuras. Este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno de las fisuras. 5. Condiciones del agua subterránea. Se hace un intento de medir la influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos de caudal observado que penetra en la excavación.

Características de las discontinuidades -

Orientación y número de discontinuidades (rumbo, buzamiento, familias) Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades) Grado de apertura o separación (abierto o cerrado) Extensión, persistencia, continuidad Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa). Relleno (sin/con, tipo )

[Escribir texto]



Valuación de Parámetros La forma en la que los cinco parámetros han sido incorporados en la clasificación de Geomecánica CSIR para macizos fisurados se muestra en la Tabla 1.2 donde aparecen los rangos de valores para cada parámetro de acuerdo a las condiciones descritas para cada sector. Tabla 1.2 Clasificación geomecánica CSIR de macizos de roca fisurada

[Escribir texto]

CLASIFICACION GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS METODO TERZAGHI , CSIR (Bieniawski) Y NGI Tabla para ajustes: Use E para ajuste del parámetro 4.

Ing. Héctor Fabio Urrea campos Use F para ajuste del parámetro 5

Regular

Metodología propuesta para usar la clasificación CSIR Para la determinación del tipo de soporte temporal a instalar en cada uno de los sectores de una excavación subterránea, en la etapa de diseño se propone el siguiente procedimiento: 1) Dibujar un corte transversal donde aparezca el eje del túnel, la cobertura composición geológica, fallas, discontinuidades, y parámetros conocidos. (2) De acuerdo a las condiciones geológicas y parámetros geotécnicos se deben escoger sectores donde el comportamiento geotécnico sea similar. (3) Seleccionar los parámetros representativos para cada uno de los sectores. (4) De acuerdo a los parámetros de cada sector cuantificar y establecer las condiciones del macizo en cada sector, utilizando la Tabla 1.2. (5) Determinar el tipo de soporte a instalar en cada sitio de acuerdo a la Tabla 1.3 y hacer un esquema con las condiciones típicas de cada sector.

Tabla 1.3 Soporte a instalar según el tipo de roca CSIR

[Escribir texto]



De acuerdo al tipo de roca determinado por esta clasificación, es posible establecer el claro activo o longitud de la excavación que se puede dejar sin soporte durante un determinado tiempo, como se muestra en la Figura 1.5.

Figura 1.5 Relación entre el tiempo de sostén y la clasificación CSIR En la determinación de sectores se debe tener en cuenta la cobertura, tipo de material, el estado del material a excavar, el rumbo y buzamiento de los estratos respecto al túnel, presencia de Fallas o discontinuidades y posición del nivel freático. Las fallas son sectores especiales y los portales de la excavación, también representan otros sectores. Tabla modelo reporte A. 1

PARAMETROS

ESCALA DE VALORES

2

Resistencia de la roca inalterada Calidad de corazones RQD

3

Espaciamiento de juntas

4

Estado de fisuras

5

Aguas subterráneas ∑ 𝑠𝑢𝑚𝑎

B

Menos ajuste por orientación

C

Valuación Total

[Escribir texto]

DESCRIPCION



Índice de calidad de túneles (NGI) Basados en una gran cantidad de excavaciones ejecutadas y soportadas conbuen margen de estabilidad en excavaciones subterráneas Barton, Lien y Lunde del Instituto de Geotecnia de Noruega (NGI) proponen un índice para determinar la calidad del macizo para la construcción de túneles. El valor numérico de este índice, denominado Q se define por la ecuación 1.2.

(1.2) Donde RQD: Índice de calidad de la roca Jn: Número de sistemas de fisuras Jr: Número de rugosidad de las fisuras Ja: Número de la alteración de las fisuras Jw: Factor de reducción por agua en las fisuras SRF: Factor de reducción por esfuerzos Donde a cada una de las relaciones el ingeniero Hoeck, le da una interpretación de acuerdo a los máximos y mínimos valores asignados a cada uno de los parámetros involucrados en la cuantificación del índice de calidad de la roca. El primer coeficiente (RQD/Jn) que representa la estructura del macizo es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con los dos valores extremos de cada parámetro (100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400.El segundo cociente (Jr/Ja) representa la rugosidad y las características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los materiales de relleno, representa la resistencia al corte entre bloques. El tercer cociente (Jw/SRF) consiste en la relación de esfuerzos producidos por el agua sobre la clave del túnel Jw y SRF es un valor de esfuerzos alrededor de la excavación de acuerdo a las condiciones geotécnicas, esta valoración representa los esfuerzos activos que pueden ser: (1) La carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas y de roca empacada en arcilla. (2) La redistribución de esfuerzos por efecto de la excavación se produce en una roca competente.

[Escribir texto]



(3) Las cargas o esfuerzos de compresión se relajan en rocas plásticas incompetentes. La clasificación utiliza otro parámetro para la cuantificación del índice de calidad de roca que es el diámetro equivalente, designado con De, que está dado por la ecuación 1.3

(1.3)

Para determinar el diámetro equivalente es necesario definir la relación soporte excavación ESR, que es una especie del inverso del factor de seguridad y tiene un valor de acuerdo al tipo de excavación, Barton en 1974 propone los valores de la Tabla 1.4

Tabla 1.4 Categoría de la excavación

En la cuantificación de cada uno de los parámetros la NGI presenta la Tabla 1.5, para valorar el parámetro de acuerdo a las condiciones del sector. Analisis de jr: Rugosidad (ver tabla 1.5) Ondularidad: Se refiere a la forma de la fisura: (1r orden) como plana u ondulada/corrugada Asperezas: Estado de la superficie (2 orden ) como pulida, lisa, rugosa o irregular Amplitud o abertura de la fisura Cizalleo requerido para contacto

[Escribir texto]



Tabla 1.5 Calificación de parámetros

Continúa... [Escribir texto]


[Escribir texto]



Ing. Héctor Fabio Urrea campos Continúa...

Tabla tomada del libro excavaciones subterráneas. G. Hoeck y Bray

Metodología propuesta para el uso de la clasificación NGI Como la clasificación se puede utilizar para determinar el tipo de soporte de la excavación un procedimiento para el uso de las tablas de esta clasificación puede ser el siguiente, los tres primeros deben ser los contemplados para la clasificación de CSIR: - Dibujar un corte transversal donde aparezca el eje del túnel, la cobertura composición geológica, fallas, discontinuidades, y parámetros conocidos. - De acuerdo a las condiciones geotécnicas se deben escoger sectores donde el comportamiento geotécnico sea similar. - Seleccionar los parámetros representativos y los valores para cada sector. - De acuerdo al valor de los parámetros de cada sector y utilizando la Tabla 1.5 cuantificar y determinar el índice de calidad de la roca Q con la ecuación 1.2. [Escribir texto]



- Determinar el diámetro equivalente con la ecuación 1.3 que tiene en cuenta la relación entre la máxima dimensión de la excavación y la relación soporte excavación de acuerdo al tipo de excavación, tomada de la Tabla 3.21. Con el De y con Q se establece la categoría de la excavación y el tipo de soporte utilizando tablas semejantes a la presentada en la Tabla 1.6 o utilizando la Figura 1.6.

Tabla 1.6 Tipos de soporte

[Escribir texto]



Grafica de sostenimiento según Barton (2000)

Este sistema también propone expresiones para la determinación de la longitud y espaciamiento de los pernos, espaciamiento. Barton propone expresiones adicionales para determinar la longitud máxima de los pernos con la expresión:

(1.4) La máxima longitud no soportada también puede ser evaluada con la expresión: (1.5) Con base en los análisis de registros propone una expresión para determinar la (1.6) [Escribir texto]



Gráfica de Stini para encontrar un máximo y mínimo longitud de excavación que que permite un tiempo en que se puede mantener determinado claro activo

Por ejemplo: Si el tiempo de 10 años sostén por grafica de Stini, el rango de claro activo mínimo 3.94 m y máximo 8.18 m.

  

Geotecnia Basica Ingeniero Oscar Ramirez. http://www.ermua.es/pags/urbanismo/proyectosestrategicos/Anejo7_28_11_2012 _16_04_40.pdf http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Clasificacion%20de%20macizos%20rocosos -UNLP.pdf

[Escribir texto]

CLASIFICACION GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS METODO TERZAGHI , CSIR (Bieniawski) Y NGI

Recommend Documents