09/04/2014
Mecánica de Rocas MSc. Jorge Dueñas
Facultad de Geología Geofísica y Minas UNSA www.unsa.edu.pe Email:
[email protected]
2014
Evaluación • 2 exámenes (Ex): 60% • Trabajos Prácticos (Tp): 30% • Asistencia y Participación (Pt):10% • Calificación – NF = Ex*0.6+Tp*0.2+Pt*0.1
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Introducción
Contenido del Curso
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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
Cap I INTRODUCCIÓN
Aplicaciones de la Mecánica de Rocas
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Estructuras Planas y Excavación Circular
North Pit, Homestake Pitch Mine, Sargents Colorado
Estabilidad de Taludes Bagdad Mine, Arizona
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Grasberg Mine, Indonesia Octubre 9, 2003 Lo que pasa cuando el agua se acumula y el drenaje falla
9 Personas Muertas
Subsidencia Newcrest, Queensland, Australia
El Teniente, Chile
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Estabilidad de Excavaciones Subterráneas Pilar sobrecargado (overstressing)
Colapso de un túnel
Fragmentación
DOZ, Freeport Indonesia
Esmeralda- El Teniente, Codelco, Chil
Página 14
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Palabora, South Africa Transición Tajo- Subterránea
Cap II DESCRIPCIÓN EN MECÁNICA DE ROCAS
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Propiedades Índice de la roca MSc. Jorge Dueñas
Facultad de Geología Geofísica y Minas UNSA www.unsa.edu.pe Email:
[email protected]
2014
Objetivos: Interpretar las Propiedades de la Roca • Estar familiarizados con los cuadros, ecuaciones, y tablas para la evaluación de las propiedades de la roca. – Determinar la validez de los resultados de ensayos. – Seleccionar los valores apropiados. – Optimizar la evaluación de los diseños preliminares. • Reconocer que las fracturas y fisuras son tan importantes en el macizo rocoso asi como en la roca intacta entre las discontinuidades.
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Roca intacta
Macizo Rocoso!
Macizo Rocoso =
+ Roca intacta
Discontinuidad
Propiedades de resistencia
Propiedades de resistencia
-UCS -Cohesión (c) -Angulo de fricción (°) -Tracción indirecta -Carga puntual
-Resistencia al corte () -Intercepto cohesivo (c) -Angulo de fricción (°)
Propiedades elásticas
-Módulo de rigidez (Ks,Kn)
-Modulo de Young (E) -Poisson
Propiedades Índice - Gravedad, Gs - Peso Unitario, - Porosidad, n - Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs)
Propiedades elásticas Condición de las discontinuidades -Orientación (Dip/ Dipdir) -Frecuencia (ff) -Espaciamiento (S) -Rugosidad -Persistencia -Tipo de relleno -Tamaño de bloque -RQD
Metodo directo e indirecto
Macizo rocoso Propiedades de resistencia -Método de H&B -Intercepto cohesivo -Angulo de fricción
Propiedades elásticas -Modulo de Young -Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs)
Estimaciones (empíricas)
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Interpretación de las Propiedades de la Roca • Cuando está involucrado en construcciones civiles: fundaciones, taludes, túneles, cortes en vias, etc. • Dos niveles de clasificación de la roca: – Roca Intacta (origen, tipe, edad, minerales) – Macizo rocoso (discontinuidades)
• Data combinada de ensayos en campo y en laboratorio
Grand Canyon, Arizona FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Clasificación de la Roca Intacta • Tipo de Roca • Formación y Edad Geológica • Propiedades Índice: – Gravedad específica, Porosidad, Peso Unitario, Velocidades de onda – Resistencia (compresión, tensión, corte) – Módulo Elástico
Clasificación de Rocas por su origen primario Sedimentary Types Grain
Metaphorphic
Igneous Types
Clastic
Carbonate
Foliated Massive
Intrusive Extrusive
Conglomerate
Limestone
Gneiss
Pegmatite
Breccia
Conglomerate
Sandstone
Limestone
Schist
Siltsone
Chalk
Phyllite
Shale
Calcareous Mudstone
Slate
Aspects Coarse
Medium
Fine
Mudstone
Marble
Quartzite
Granite
Volcanic Breccia
Diorite
Tuff
Diabase
Amphibolite
Rhyotite
Basalt Obsidian
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Era
Period Quaternary
Escala Tiempo Geológico
Epoch
Holocene - Recent Pleistocene Pliocene
Cenozoic
Miocene Tertiary
Oligocene Eocene Paleocene
Cretaceous Mesozoic
Silurian Ordovician Cambrian
Greenland
38 million 54 million 65 million
230 million
Permian
Devonian
5 million 26 million
185 million
Triassic
Paleozoic
10,000 2 million
130 million
Jurassic
Carboniferous
Time Boundaries (Years Ago)
Pennsylvanian Mississippian
265 million 310 million 355 million 413 million 425 million 475 million 570 million
Precambrian
3.9 billion
Earth Beginning
4.7 billion
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Mapeo Geológico de las Estructuras del Macizo Rocoso
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Propiedades de la Roca Intacta
Propiedades Índice de la Roca Intacta • Gravedad específica de sólidos, Gs • Peso Unitario, • Porosidad, n • Velocidades ultrasónicas (Vp y Vs) • Resistencia Compresiva, qu • Resistencia a la tensión, T0 • Módulos elásticos, ER (a 50% de qu)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Clasificación Geológica de las rocas
• La idea es caracterizar ciertos parámetros de la roca que tiene que ver con su resistencia • Estas características se pueden relacionar con las del macizo rocoso • Desde el punto de vista genético: – Ígneas – Sedimentarias – Metamórficas
• Desde el punto de vista del comportamiento: – – – –
Textura cristalina Textura clástica Rocas de granos muy finos Rocas orgánicas
– – – –
Elástico y frágil Plástico Viscoso Isótropo o anisótropo
• Comportamiento:
Clasificación Geológica de las rocas • Descripción incluye: – Textura – Composición – Tipo de cementación en las discontinuidades – Diaclasamiento – Contenido de humedad – Poros – Etc.
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Propiedades • Porosidad: Indica la proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida. Las porosidades normalmente fluctúan entre 0 y 40%. n
VP volumen de poros VT volumen total
Propiedades • Densidad:
– Corresponde al peso por unidad de volumen – Puede relacionarse con la mineralogía y constitución de los granos que forman la roca
peso volumen
• Gravedad específica:
– Es la densidad del material de interés dividida por la densidad del agua medida adimensional – Densidad del agua es 1g/cm3, lo que hace que, cuando se mide en estas unidades (o equivalentemente en ton/m3), el valor de la densidad y gravedad específica sea el mismo.
G
densidad del material densidad del agua
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Propiedades • Densidad: Las gravedades específicas de minerales comunes fluctúan entre 2.0 (halita) y 7.0 (galena). Las rocas comunes tienen gravedades específicas entre 2.0 y 3.0 en la mayoría de los casos.
Specific Gravity
Material Andesite
Specific Gravity
Material
2.5 - 2.8
Iron Ore
Basalt/Traprock
2.8 - 3.0
Lead Ore (Galena)
7.5
Coal - Anthracite
1.3
Limestone
2.3 - 2.7
Coal - Bituminous
1.1 - 1.4
Copper Ore
2
4.5 - 5.3
Marble
2.4 - 2.7
Mica, schist
2.5 - 2.9
Diabase
2.6 - 3.0
Quartzite
2.6 - 2.8
Diorite
2.8 - 3.0
Rhyolite
2.4 - 2.6
Dolomite
2.8 - 2.9
Rock Salt
2.5 - 2.6
Earth (dry)
1.6 - 1.8
Sandstone
2.2 - 2.8
Earth (wet)
2
Shale
2.4 - 2.8
Gneiss
2.6 - 2.9
Slate
2.7 - 2.8
Granite
2.6 - 2.7
Talc
2.6 - 2.8
Gypsum
2.3 - 2.8
Gravedad Específica de los Minerales S peci f i c G r av i t i es of R ock Mi galena pyrite barite olivine dolomite calcite chlorite feldspar quartz serpentine gypsum halite
Common Minerals Average G s = 2.70
0 Reference Value (fresh water)
1
2
3
4
5
6
7
8
Specific Gravity of Solids, G s FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Peso Unitario de la Rocas 3
Saturated Unit Weight,T (kN/m )
28
sat =water [ Gs(1-n) + n]
26
24
22
20
Dolostone Graywacke Mudstone Sandstone
18
16
Granite Limestone Siltstone Tuff
Gs = 2.80 2.65 2.50
14
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Porosity, n
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Propiedades • Permeabilidad: – Mide de cierta forma la conexión existente entre poros, de modo que un fluido pueda movilizarse a través de la roca. – La permeabilidad k, se rige por la Ley de Darcy
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Propiedades • Porosidad: – k se mide en Darcy: 1 darcy = 9.86 x 10-9 cm2 – Permeabilidad de la roca intacta suele ser muy distinta de la permeabilidad del macizo rocoso. – Se puede relacionar con la separación de grietas en el macizo rocoso, por lo que provee un índice cuantitativo de calidad del macizo rocoso.
Rock Type Granite
Porosity % 0.5 - 1.5
Dolerite
0.1 - 0.5
Sandstone
5.0 - 25.0
Shale
10.0 - 30.0
Limestone
5.0 - 20.0
Dolomite
1.0 - 5.0
Quartzite
0.1 - 0.5
Propiedades mecánicas • Resistencia: – La resistencia mide la competencia de la roca. – Se mide mediante el ensayo de carga puntual: I S (50 )
P D2
• Is(50) es la resistencia a la carga puntual (rango típico va de 0.05 a 15 MPa) • P es la carga al momento de la ruptura • D es la distancia entre los puntos cargados
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Propiedades • Resistencia:
Propiedades • Resistencia: – La resistencia a la carga puntual se correlaciona con la resistencia a la compresión no confinada o simple. – La siguiente ecuación es un resultado empírico entre la resistencia a la carga puntual y la resistencia a la compresión simple (no válida para rocas débiles).
C 24 I S ( 50 )
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Propiedades • Resistencia Term
Uniaxial Compressive Strength (MPa)
Point Load Index (MPa)
Schmidt Hardness (Type L - hammer)
Field Estimate of Strength
R5 Extremely Strong
>250
>10
50-60
Rock material only chipped under repeated hammer blows
fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite
R4 Very Strong
100-250
4-10
40-50
Requires many blows of a geological hammer to break intact rock specimens
Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff
R3 Strong
50-100
2-4
30-40
Hand held specimens broken by a single blow of a geological hammer
Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale
R2 Medium Strong
25-50
1-2
15-30
Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just scrapes surface
Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone
R1 Weak
5-25
**
<15
Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens
chalk, rocksalt, potash
R0 Very Weak
1-5
**
Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped with knife
highly weathered or altered rock
Extremely Weak
0.25-1
**
Indented by thumbnail
clay gouge
Examples*
Propiedades • Durabilidad: – Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse, al exponerse al aire, agua, tiempo, etc. – Es un concepto más aplicable a mecánica de suelos que a mecánica de rocas. – Se mide mediante un test: • • • • •
Tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura 500 grs de roca en 10 piezas El tambor gira a 20 rpm durante 10 minutos en un baño de agua Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor
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Propiedades • Durabilidad
Propiedades • Velocidad sónica:
– Puede relacionarse con el grado de fracturamiento de la roca en teoría depende solamente de las propiedades elásticas de las rocas y de la densidad de sus componentes. – Como la roca no es homogénea y presenta fisuras, éstas distorsionan el valor que resulta al medir la velocidad del sonido a través del espécimen. – Se puede calcular la velocidad longitudinal teórica usando composición y proporciones (y asumiendo que no hay fisuras):
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Propiedades • Velocidad sónica: – Se puede medir Vl experimentalmente (considera las fisuras de la roca) – Se define el índice de calidad : V IQ% l* 100 Vl – Este índice de calidad puede correlacionarse con la porosidad mediante la siguiente relación: IQ % 100 1.6 n%
Propiedades • Velocidad sónica:
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Velocidad Ultrasónica de las Rocas Seismic Velocities for Intact Rock Materials
Shear Wave, Vs (m/s)
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Compression Wave, Vp (m/s) Limestone Tuff Diorite Basalt
Chalk Slate Gabbro Dolostone
Marble Anhydrite Granite Mudstone
Schist Grandiorite Dunite Siltstone
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Modos de falla y ensayos de laboratorio
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Modos de falla • Configuración de las cargas genera que no predomine un modo de falla • Flexión • Cizalle • Tracción directa
Modos de falla • Flexión: – Falla por propagación de grietas de tensión – Techo de labor en roca estratificada – Fallamiento por peso propio
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Modos de falla • Cizalle: – Generación de superficie de ruptura donde los esfuerzos de corte se concentran – Roca se relaja fracturándose y linera el esfuerzo – También generado de manera indirecta con herramientas de perforación
Modos de falla • Tracción directa: – Puede producirse al superarse la fricción, por gravedad – Fractura en planos no conectados, de poca potencia
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Modos de falla • Cuando la roca falla por tracción, la superficie de falla es áspera y no presenta material triturado o fragmentos • Cuando la roca falla por corte, la superficie de falla es más suave y se genera una zona con material pulverizado • Tracción directa también ocurre al existir demasiada presión al interior del túnel – Este es el principio del fracturamiento hidráulico y voladura de rocas.
Ensayos de laboratorio
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Ensayos de laboratorio – Roca Intacta • UCS
• Degradation testing
• Triaxial • Point load Index • Brazil test • Schmidt hammer
Estimación de la resistencia a la compresión simple (UCS) Debe ser medida a partir de ensayos: • Ensayo de carga puntual (no recomendable para roca blanda, ci<25 MPa) • Ensayo de compresión simple Fit Comparison for UCS GRNMM RiskLognorm(47.872,16.062) 25.2
79.1
5.0% 3.6%
0.035
90.0% 91.9%
5.0% 4.5%
0.030 Input
0.025
Minimum 21.17 Maximum 99.52 Mean 47.80 Std Dev 15.53 Values 49
0.020
Lognorm
0.015
Minimum 0.00 Maximum +∞ Mean 47.87 Std Dev 16.06
0.010
0.005
90
100
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
0.000
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Resistencia de la Roca Intacta • Resistencia Compresiva, u = qu • Resistencia a la tensión directa, *T0 • Ensayo Brasileño (Indirecto) , T0 • Resistencia al Corte, – Alrededor de la roca intacta – A lo largo de la fractura (joints) FHWA-NHI Subsurface Investigations
Estándares y/o Normas • ISRM – minm. no. of tests that should be carried out on a particular rock type • ASTM 4133: Methods of Testing Rocks for Engineering Purposes
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Data de Laboratorio – Roca Intacta (Goodman, 1989) Intact Rock Material
qu
T0
ER
(MPa)
(MPa)
(MPa)
(-)
Ratio qu/T0
Ratio ER//qu
320.0 51.0 73.8 101.5 66.9 162.0 35.2 122.7 355.0 90.3 75.2 214.0 148.0 141.1 11.3 86.9 241.0 226.0 55.2 245.0 62.0 97.9
11.0 1.6 1.2 6.4 1.8 6.9 0.2 3.0 14.5 3.0 2.1 8.1 13.1 11.7 1.1 4.4 11.4 11.9 0.5 4.0 1.2 3.9
88320 28509 19262 19184 55795 53622 5526 29571 83780 51020 11130 39162 34928 73795 3649.9 43885 81699 70512 20700 63700 47926 55803
0.11 0.29 0.38 0.17 0.25 0.34 0.25 0.22 0.29 0.34 0.29 0.46 0.32 0.22 0.29 0.34 0.28 0.18 0.31 0.29 0.40 0.30
29.1 32.3 63.0 15.9 37.4 23.5 167.6 41.5 24.5 29.8 36.3 26.3 11.3 12.1 10.0 19.7 21.1 19.0 100.4 61.3 53.0 25.0
276 559 261 189 834 331 157 241 236 565 148 183 236 523 323 505 339 312 375 260 773 570
Statistical Results: Mean = 135.5 S.Dev. = 93.7 Note: 1 MPa = 10.45 tsf = 145.1 psi
5.6 4.7
44613 25716
0.29 0.08
39.1 35.6
372.5 193.8
Bar aboo Quar tzite Bedf or d Limestone Ber ea Sandstone Cedar City Tonalite Cher okee Mar ble Dwor shak Dam Gneiss Flaming Gor ge Shale Hackensack Siltstone John Day Basalt Lockpor t Dolomite Micaceous Shale Navaj o Sandstone Nevada Basalt Nevada Gr anite Nevada Tuf f Oneota Dolomite Palisades Diabase Pikes Peak Gr anite Quar tz Mica Schist Solenhof en Limestone Taconic Mar ble Taver nalle Limestone
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Clasificación de la Roca por su Resistencia
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Ensayos de laboratorio • Ensayos confinados y no confinados • Ensayos de corte • Ensayos de tracción directa e indirecta • Prensa presión constante
Ensayos de laboratorio • Sierra de diamante
• Equipo de preparación de probetas
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Ensayo de carga puntual I S ( 50 )
P D2
• P es la carga al momento de la ruptura • D es la distancia entre los puntos cargados
Ensayo de carga puntual • Usualmente el diámetro, D = 50 mm
Is50
P 2 D
D 50
0.45
• Si la muestra no es cilíndrica – Diámetro efectivo, De
Is50
P 2 De
D2e 2500
0.225
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Ensayo de carga puntual • El ensayo es invalido si se produce la trituración en lugar de la fractura • Is50 se correlaciona con el UCS = c (Unconfined Compression Strength)
c 20 to 24 Is50
Ensayo de compresión simple – no confinada • Ensayo más utilizado para medir resistencia de la roca
• 1f = P / A • 1 crece de 0 a 1f • 2 y 3 son cero • Rango típico: 10-350 MPa
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Resistencia a la Compresión Simple UCS • El diámetro de la muestra debe ser de > 50 mm ─ Diámetro máximo 63 mm? regla del 10x?
• La relación l/d debe ser de 2.0 - 3.0 • Los extremos de la muestra deben cortarse planos ─ Nivelación del material alterado
• Los extremos de la muestra deben ser perpendiculares • La tapa superior esférica debe estar ligeramente lubricado
Configuración del UCS 0.5 -1.0 MPa/sec: 5 to 15 mins/test Spherical top cap
Length, l
Diameter, d
Asiento esférico mantiene la carga alineada con el eje de la muestra: También es importante para las muestras con discontinuidades
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Placas esféricas UCS
Strain Gauges para la deformación axial/radial? • No siempre es posible – Superficies rugosas – Superficies húmedas − Agua o aceite
– Discontinuidad en la muestra?
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NOTAS: • compressive strength generally decreases as diameter increases ─ especially for coarse grained & fissured rocks
• strength of a core decreases as length, l, increases ─ more flaws? ─ greater chance of unfavourable orientation?
Ensayo de compresión simple – no confinada
• Resultados pueden variar mucho al cambiar el procedimiento • Probeta cilíndrica con razón largoancho de 2 a 2.5. • Superficies planas, paralelas y suaves, perpendiculares al eje del cilindro
Typical Rock Types
Compressive Strength (MPa)
Tensile Strength (MPa)
Shear Strength (MPa)
Bulk Density (Mg/m3)
Porosity %
Granite Diorite
100-250
7-25
14-50
2.6-2.9
0.5-1.5
150-300
15-30
NA
NA
Diabase
NA
100-350
15-35
25-60
2.7-3.05
0.1-0.5
Gabbro
150-300
15-30
NA
2.8-3.1
0.1-0.2
Basalt
100-300
10-30
20-60
2.8-2.9
0.1-1.0
Gneiss
50-200
5-20
NA
2.8-3.0
0.5-1.5
Marble
100-250
7-20
NA
2.6-2.7
0.5-2
Slate
100-200
7-20
15-30
2.6-2.7
0.1-0.5 0.1-0.5
Quartzite
150-300
10-30
20-60
2.6-2.7
Sandstone
20-170
4-25
8-40
2.0-2.6
5-25
Shale
5-100
2-10
3-30
2.0-2.4
10-30
Limestone
30-250
5-25
10-50
2.2-2.6
5-20
Dolomite
30-250
15-25
NA
2.5-2.6
1-5
Steel
900-1500
NA.
NA
NA
NA
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Ensayo de compresión simple – no confinada • Ruptura de probeta puede producirse por la matriz o por algún plano pre-existente de debilidad
Influencia de las Discontinuidades en la Resistencia • Orientation & number of discontinuities affect strength: consider a single discontinuity 1.0
c/c max minm.
Apparent angle of friction of joint = w
0.0 0
w
(45 + w/2)
90
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Intersección de Discontinuidades?
1.0
c/c max minm.
0. 0
0
90
Ensayo de durabilidad • Resistencia a alterarse al someterse al ambiente (agua, aire)
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Ensayo de compresión triaxial • Aplicación simultánea de compresión y presión de confinamiento axisimétrica. • Celda triaxial: depósito en que la probeta se somete a una presión de confinamiento mediante un líquido a presión (aceite)
Ensayo Triaxial Spherical top cap Strain gauged specimen - axial and radial strain Stiff rubber jacket Solid steel cell Oil instead of water to provide 3 - (values in MPa) - (1 3)
Need to apply 1 through ram as oil loaded
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Ensayo de compresión triaxial • Confinamiento aumenta considerablemente la resistencia a la carga axial • Al momento del peak de carga: – 1f = P/A – 1 crece de 0 a 1f – 2 = 3 = p • Orden en el que se aplican las cargas es relevante: – Confinamiento p y luego hacer crecer 1 de 0 a 1f – Confinamiento y esfuerzo axial simultáneos
•
Ensayo de tracción indirecta o brasileño Permite estimar la
resistencia a la tracción • Una roca cuyo largo es casi igual a su diámetro se rompe en un plano diametral paralelo al eje del cilindro cuando es cargado lateralmente • Esfuerzo de tensión uniforme y perpendicular al plano diametral:
• t,B=2P/dt
40
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Ensayo Brasileño • Splitting test of discs of rock, t thick, diameter, D
P 2P Dt t thickness of disc at the centre
t
Ensayo de tracción simple • Más complejo que el ensayo brasileño y que el de compresión simple • Ensayo brasileño entrega valores más altos que el de tracción directa • Menos interés práctico
41
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Esclerómetro (Schmidt Hammer) • same as used for concrete • rebound on standard impact converted to f’c = c • take many samplings to get a statistical mean
Clasificación de la Roca Intacta • Clasificación por la Resistencia a la Compresión Uniaxial, u • Clasificación por su Resistencia y su Módulo Elástico (ER/u) • Cuadros y/o diagramas representativos para rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. • Revisión (check list) sobre la razonabilidad de las mediciones en laboratorio y los ensayos respectivos.
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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ER-u para Rocas Ígneas
Deere and Miller (1966)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
ER-u para Rocas Sedimentarias
Deere and Miller (1966)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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ER-u para Rocas Metamórficas
Deere and Miller (1966)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
EMAX-qmax para todo tipo de Geomateriales (Tatsuoka and Shibuya, 1992)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Correlaciones - Resistencia Roca Intacta
R =
Resistencia al corte
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Correlaciones - Resistencia Roca Intacta Intact Rock Specimens
Tensile Strength, T0 (MPa)
25
T0
20
qu
0 .04 0.01
15 Sedimentary Metamorphic Igneous Trend + S.E. - S.E.
10
5
0 0
100
200
300
400
Compressive Strength, qu (MPa)
500
600
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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Caracterización Geomecánica del Macizo Rocoso
Caracterización Geomecánica Caracterizar.-
Es describir las cualidades particulares, propios de cada macizo rocoso.
Caracterización.-
Es el proceso de designar la calidad del macizo rocoso basado en números y términos descriptivos de los rasgos que se presentan de cada macizo rocoso.
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Para qué? Identificar los parámetros más significativos que influencian en el comportamiento del macizo rocoso Dividir la formación del macizo rocoso en grupos de similar comportamiento geomecánico con una calidad variable. Proveer una información base para la comprensión de las características del macizo rocoso
• La caracterización no debe contemplar solo la media de los valores sino su distribución estadística • Parámetros a estudiar: - Geological Strength Index (GSI) - Resistencia a la compresión simple (UCS) - Deformabilidad - Estado tensional - Orientación de las estructuras
Macizo Rocoso
Elementos
+ Roca Intacta
= Discontinuidades
Macizo Rocoso
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Roca Intacta Características Físicas.Es importante detallar las características físicas del espécimen a evaluar, como son: • Color • Composición mineral • Alteración • Textura Características Mecánicas.- Se refiere principalmente a la resistencia a la compresión simple (σu) determinado en campo, se debe desarrollar haciendo uso el martillo y la navaja
Grado
Descripción
Identificación de campo
σu (Mpa)
R0
Extremadamente Marcada por la uña débil
R1
Muy débil
Se desmenuza bajo el impacto de la punta del martillo de geólogo, puede ser raspada con la navaja.
R2
Débil
Puede ser raspada con la navaja con dificultad; marcada por golpe firme de la punta del martillo de 5 – 25 geólogo.
R3
Medianamente resistente
No puede ser raspada por la navaja; muestras pueden ser fracturadas con un solo golpe del martillo de geólogo.
25 – 50
R4
Resistente
Muestras requieren de muchos golpes del martillo para fracturarse.
50 – 100
R5
Muy resistente
Muestras requieren de muchos golpes del martillo 100 – para fracturarse. 250
R6
Extremadamente Muestras solamente retiran chispas con el martillo > 250 resistente de geólogo.
<1 1–5
Discontinuidades
Existen muchas formas de medir la orientación de las discontinuidades, pero el mas adecuado es el vector buzamiento que es la actitud de la discontinuidad en el espacio: Buzamiento / Dirección de Buzamiento (Dip / Dip Direction).
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Orientación de las estructuras A partir de imágenes obtenidas mediante sondas de testificación geofísica Imagen óptica y acústica
24899 polos
Valor característico Métodos estadísticos para determinar el valor característico
t tV Xm X k X m 1 n n Donde,
t= valor de Student (depende del nº de datos, n) V= coeficiente de variación = desviación estándar Xm= valor medio
En caso de tener pocos datos, una buena aproximación es:
X k X m 1 k n V X m 0.5
Orr, T. L.L. & E.R. Farrell (1999) Geotechnical Design to Eurocode 7 – Chapter 2. Springer (London). ISBN 1‐85233‐038‐4
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Discontinuidad
Espaciamiento (S).El espaciamiento de las discontinuidades es la distancia media entre dos planos de discontinuidad del macizo rocoso en dirección perpendicular a los planos de discontinuidad.
Discontinuidad
Rugosidad.Conocido también como el grado de aspereza de las superficies de discontinuidad, es un parámetro importante que caracteriza la condición de la discontinuidad. Abertura.- Es la distancia perpendicular entre paredes adyacentes de una discontinuidad, cuyo espacio intermediario puede estar contenido con relleno o sin ello.
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Discontinuidad Espaciamiento (S).Distancia media entre dos planos de discontinuidad del macizo rocoso en dirección perpendicular a los planos de discontinuidad.
Discontinuidad Persistencia.- Influyen en la magnitud en que el material rocoso y la separación de las discontinuidades afectan el comportamiento del macizo rocoso. Alteración.- El grado de alteración de las superficies de las discontinuidades, esto es clasificado de acuerdo a la recomendación del ISRM:
Relleno.- Tiene doble influencia en el comportamiento, el espesor del relleno que evita que se cierren las asperezas de la fractura y posee su propia característica como es la resistencia al corte, permeabilidad y características deformacionales.
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Macizo Rocoso Efecto de la Escala
“Al definir un volúmen del macizo rocoso, en forma implícita también estamos definiendo el tamaño de los trozos de roca y de las estructuras que conforman este volumen”. Karzulovic,2000
Macizo Rocoso Tamaño de Bloque.- El macizo rocoso es conceptuado como bloques discretos limitados por delgadas discontinuidades, y su comportamiento es gobernado por la combinación de las características del bloque y discontinuidades. El tamaño del bloque es definido como diámetro de un bloque típico de roca en la unidad para ser clasificada; el tamaño del bloque puede ser expresado como un rango y un valor típico.
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Macizo Rocoso Índice de la Calidad de la Roca.Deere 1967, presentó este concepto como un índice cuantitativo que nos muestra la relación de longitudes mayores de 10 cm de un testigo de perforación entre la longitud total perforada (LP) RQD
( 10cm) LP
El espaciamiento promedio de la discontinuidad es el recíproco de la frecuencia promedio (S). Priest & Hudson (1976) proponen relacionar el espaciamiento promedio (S) con el RQD, según la relación: RQD 100e
(
0.1 ) S
(
0.1 1) S
Macizo Rocoso Número de Familias.- Es el número de familias que componen un sistema de discontinuidades. El macizo también puede contener discontinuidades individuales. RQD (%)
Cantidad Volumétrica de Discontinuidades (Jv).Una densidad areal o volumétrica puede ser expresada en términos del número de discontinuidades por unidad de área o unidad de volumen del macizo rocoso.
100
Designación Roca fuerte y masiva
Jv (disc/m3) 1.0 1-3
Designación Bloques muy grandes
90-100
Excelente
Bloques grandes
75-90
Buena
3-10
Bloques de tamaño medio
50-75
Regular
10-30
Bloques pequeños
25-50
Pobre
30
Bloques muy pequeños
25
Muy pobre
60
Roca “triturada”
Se presenta una relación entre el RQD y el Jv. RQD = 115 – 3.3Jv
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Mapeo Geomecánico del Macizo Rocoso
Técnicas de Levantamiento Geomecánico Registro de Sondajes. Para desarrollar el registro de núcleos se debe realizar con sumo cuidado ya que depende de ello una correcta obtención de la data, haciendo uso de la visualización y filmación de las paredes del mismo, mediante una cámara fotográfica o cámara de televisión. Generalmente el logueo se desarrolla por cada metro de testigo. Pero si se alternara esto dividiéndolo en secciones de acuerdo a la alta y baja densidad de discontinuidades que presentan de tal manera que el logueo se puede realizar de acuerdo a esta densidad
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Mapeo de Afloramientos Registro Linear Este tipo de trabajo consiste en describir una línea en el afloramiento del macizo rocoso, mediante el cual se realiza la toma de datos respectivos.
Mapeo por Celdas. El mapeo por celdas generalmente se desarrolla en minería a tajo abierto, consiste en dividir por celdas de aproximadamente 20m de ancho por la altura del banco. El formato puede contener un gráfico de la celda resaltando las discontinuidades que en el se distinguen o puede ser la fotografía de la celda.
Clasificación Geomecánico del Macizo Rocoso
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Clasificación del Macizo Rocoso • RQD – inicios de clasificación del macizo rocoso • Geomecánico- Rock Mass Rating (RMR) por Bieniawski (1984, 1989) • Q - Norwegian Geotechnical Institute (Barton, et al. 1974) • Geological Strength Index, GSI (Hoek, et al., 1995)
Clasificación RMR (Rock Mass Rating) •
RMR basado en 5 parámetros: – – – – –
•
UCS, u Rock Quality Designation, RQD Espaciamiento de Discontinuidades Condición de las Discontinuidades Condición del agua
RMR = R1+R2+R3+R4+R5
• Ajuste por la orientación de las discontinuidades relativo a la construcción.
Rock City Chattanooga, TN
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Clasificación RMR (Rock Mass Rating) Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989] 16
25
RMR Rating R2
RMR Rating R1
14 12 10 8 6 4 2
20 15 10 5
0
0 0
50
100
150
200
250
300
0
10
Unconfined Compressive Strength, qu (MPa)
30
40
50
60
70
80
90
100
Rock Quality Designation, RQD 35
25
Rough/Unweathered
30
20
RMR Rating R4
RMR Rating R3
20
15 10 5 0 0.01
Slightly Rough
25
Weathered
20 15
Slickensided Surface or Gouge-Filled
10 5
Soft Gouge-Filled
0 0.1 1 Joint Spacing (meters)
10
0
1 2 3 4 5 Joint Separation or Gouge Thickness (mm)
6
Clasificación RMR (Rock Mass Rating) Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989] 16
16 u = joint water pressure 1 = major principal stress
12
Al t er nat e 2 D ef i ni t
10
f or P ar a met er5 R
8 6 4 2
Al t er nat e 1 D ef i ni t i
Dr y
14
RMR Rating R5
RMR Rating R5
14
f or P ar amet er5 R
12 Damp
10
W et
8 6
Dripping
4 2 Flowing
0
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
1
Joint Water Pressure Ratio, u/1
100
1000
Inflow per 10-m Tunnel Length (Liters/min)
ROCK MASS RATING (RMR)
5
also CSIR System
Geomechanics System - (Bieniawski, 1984, 1989) Geomechanics Classification for Rock Masses CLASS DESCRIPTION RANGE of I Very Good Rock 81 to II Good Rock 61 to III Fair Rock 41 to IV Poor Rock 21 to V Very Poor Rock 0 to
10
RMR =
Ri i=1
RMR 100 80 60 40 20
NOTE: Rock Mass Rating is obtained by summing the five index parameters to obtain an overal rating RMR. Adjustments for dip and orientation of discontinuities being favorable or unfavorable for specific cases of tunnels, slopes, & foundations can also be considered.
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NGI- Q Rating of Rock Masses • Q-Rating based on 6 parameters: – Rock Quality Designation, RQD – – – – –
Number of Joint Sets, Jn Roughness of Discontinuities, Jr Discontinuity Condition/Filling, Ja Groundwater Conditions, Jw Stress Reduction Factor, SRF
• Rating of Rock Formation: Tucson, AZ
RQD J r J w Q J n J a SRF FHWA-NHI Subsurface Investigations
NGI Q-System Rating for Rock Masses (Barton, Lien, & Lunde, 1974) Norwegian Classif ication f or Rock Masses Q - Value Quality of Rock Mass < 0.01 0.01 to 0.1 to 1 to 4 to 10 to 40 to 100 to < 400
0.1 1 4 10 40 100 400
Exceptionally Poor Extremely Poor Very Poor Poor Fair Good Very Good Extremely Good Exceptionally Good
PARAMETERS FOR THE Q-Rating of Rock Masses 1. RQD = Rock Quality Designation = sum of cored pieces > 100 mm long, divided by total core run length 2. Number of Sets of Discontinuities (joint sets) Massive One set Two sets Three sets Four or more sets Crushed rock
= Jn 0.5 2 4 9 15 20
= Jr 3. Roughness of Discontinuities* Noncontinuous j oints 4 Rough, wavy 3 Smooth, wavy 2 Rough, planar 1.5 Smooth, planar 1 Slick and planar 0.5 Filled discontinuities 1 *Note: add +1 if mean joint spacing > 3 m
RQD J r Q J n J a
J w SRF
4. Discontinuity Condition & Infilling 4.1 Unfilled Cases Healed Stained, no alteration Silty or Sandy Coating Clay coating 4.2 Filled Discontinuities Sand or crushed rock inf ill Stif f clay inf illing < 5 mm Sof t clay inf ill < 5 mm thick Swelling clay < 5 mm Stif f clay inf ill > 5 mm thick Sof t clay inf ill > 5 mm thick Swelling clay > 5 mm
=
Ja 0.75 1 3 4 4 6 8 12 10 15 20
5. Water Conditions Dry 1 Medium W ater Inf low 0.66 Large inf low in unf illed j oints 0.5 Large inf low with f illed j oints that wash out 0.33 0.2 to 0.1 High transient f low High continuous f low 0.1 to 0.05 6. Stress Reduction Factor** Loose rock with clay inf ill Loose rock with open j oints Shallow rock with clay inf ill Rock with unf illed j oints
= SRF 10 5 2.5 1
**Note: Additional SRF values given for rocks prone to bursting, squeezing and swelling by Barton et al. (1974)
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FHWA-NHI Subsurface Investigations
Geological Strength Index, GSI • Desarrollado por Hoek, Kaiser, & Bawden (1995), Hoek & Brown (1997). RQD J r GSI 9 log • GSI from Q-system:
J n
44 J a
• GSI from Geomechanics system where RMR > 25: 4
GSI 10 Ri i 1
• Chart approach based on structure & surface quality
FHWA-NHI Subsurface Investigations
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GSI Evaluation from Chart
Hoek (2000)
FHWA-NHI Subsurface Investigations
Estimación del GSI Rock Mass Rating system (RMR) según Bieniawski, 1989
Bieniawski, Z.T. (1989) Engineering Rock Mass Classifications. New York: Wiley.
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Estimación del GSI Rock Mass Rating system (RMR) según Bieniawski, 1989
No se debe considerar el agua en la estimación de parámetros, ya que su efecto se incluirá en los cálculos pertinentes (Hoek, 1988) Hoek, E. & E.T. Brown (1998) The Hoek-Brown Failure Criterion – a 1988 update. 15th Canadian Rock Mechanics Symposium, October 1988, Toronto. Ed. John H. Corran
Estimación del GSI Rock Mass Rating system (RMR) según Bieniawski, 1989
Criterio de rotura de Hoek-Brown generalizado
3 s ci
a
1 3 ci m
La roca intacta difícilmente podría llegar a RMR=100 al ser penalizado por la resistencia, especialmente en rocas blandas La resistencia de la roca intacta aparece m RMR 100 explícitamente en el criterio de ruptura exp mi 14 RMR 100 s exp 9
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Estimación del GSI Relación entre el RQD y frecuencia media de las discontinuidades Priest & Hudson (1981)
Priest, S.D. & J.A. Hudson (1981) Estimation of discontinuity spacing and trace length using scanline surveys. Int J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Vol 18, pp. 183-197 (1981)
Estimación del GSI
Manual de Túneles y Obras Subterráneas - Capítulo 4. C. López Jimeno ed.. ETSIM Madrid, 2000
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Estimación del GSI - Cualitativo Geological Strength Index (GSI) según Hoek et al
Estimación del GSI - Cuantitativo GSI es función del espaciado de las juntas y el factor de estado de la junta Jc (Cai et al, 2004)
Jc
J w Js JA
Jw = ondulación de la junta a gran escala Js = rugosidad de la junta a pequeña escala JA = grado de alteración de la junta
Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI
system.
International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19
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Estimación del GSI - Cuantitativo Descripción de la ondulación de la junta a gran escala (Cai et al, 2004)
Descripción de la rugosidad a pequeña escala (Cai et al, 2004)
Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI system. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19
Estimación del GSI - Cuantitativo Descripción de la alteración de la junta (Cai et al, 2004)
Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI system. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19
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Estimación del GSI - Cuantitativo Determinación del GSI (Cai et al, 2004)
Cai, M., P.K. Kaiser, H.Uno, Y.Tasaka & M. Minami (2004) Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI system. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41 (2004) 3-19
Estimación del GSI - Cuantitativo Determinación del GSI función de Jv (Sonmez et al, 1999)
Sonmez, H. & R. Ulusay (1999) Modifications to the geological strength index (GSI) and their applicability to stability of slopes. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 36 (1999) 743-760
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Estimación del GSI - Cuantitativo Dada la dificultad para estimar el Jc a partir de sondeos se puede relacionar con el valor de RMR(4) RMR(4): descripción del estado de las discontinuidades
Despreciando la persistencia (difícil de estimar de sondeos y que no aparece en el GSI) se obtiene un máximo de 24 puntos. Divididos en 5 grupos se obtiene la equivalencia:
Estimación del GSI - Cuantitativo Considerando esta equivalencia se puede obtener el GSI a partir del espaciado entre juntas y el RMR(4) Ambos valores se pueden obtener directamente de sondeos Parámetros observables a pequeña escala
A partir de la regresión cuadrática de la gráfica de GSI se obtienen la expresiones:
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Estimación del GSI - Cuantitativo Comparativa de resultados según este método Unidad geotécnica 1 (Tobas)
Histograma de distribuciones de RMR y GSI Representación RMR vs. GSI
Estimación del GSI - Cuantitativo Comparativa de resultados según este método Unidad geotécnica 7 (diatrema)
Histograma de distribuciones de RMR y GSI
Representación RMR vs. GSI
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Estimación del GSI - Cuantitativo Representación RMR vs GSI
Tobas
Diatrema y brechas
Estimación del GSI - Cuantitativo
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