Clasificación Geomecánica del macizo rocoso Roberto Isaac Avalos Sanchez 1 Julio Cesar Barahona Castro 2 Ana Paula Costa Alume 3 1
Estudiante, Escuela Superior Politécnica del Litoral,
[email protected]
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Estudiante, Escuela Superior Politécnica del L itoral, jucebara itoral,
[email protected] @espol.edu.ec
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Estudiante, Escuela Superior Politécnica del Litoral,
[email protected]
Resumen
El presente informe trata sobre la aplicación de uno de los métodos in situ para la clasificación geomecánica de macizos rocosos. El método usado es el RMR (Rock Mass Raiting) que tiene como propósito principal identificar a nuestro macizo rocoso y evaluar su calidad basándonos en una serie de calificaciones dependiendo de sus características. Se estudiarán las discontinuidades que el macizo contenga y las propiedades del mismo con el fin de definir qué tipo de roca es la que se estudia y la estabilidad del mismo para su uso. Palabras Palabras claves: RMR,
discontinuidades, macizo rocoso, rocoso, buzamiento.
1. Introducción El método RMR (Rock Mass Raiting) fue desarrolla por BIENIAWSKI en 1972. Este método de clasificación permite caracterizar y estimar la calidad de un macizo rocoso de manera rápida, sencilla y de bajo costo en el trabajo de campo; la clasificación RMR tiene en cuenta varios parámetros que reciben una valoración según las características medidas en campo para luego asignar un puntaje que dará posteriormente la posibilidad de conocer las particulares Geotécnicas preliminares del macizo. Una vez realizada la clasificación RMR se da paso a el ajuste geomecánica de taludes SRM teniendo en cuenta el tipo de fallamiento del macizo rocoso.
Objetivos generales y específicos ➢
Objetivo General: Determinar mediante la clasificación geomecánica de Bieniawski el RMR del macizo rocoso ubicado en la parte posterior de la Facultad de ingeniería
marítima, ciencias biológicas y recursos naturales. Objetivos específicos: ➢ Realizar una visita a campo en la cual se observará el macizo rocoso con detalle para asignar los valores correspondientes a las cualidades características del macizo basándonos en el método de Bieniawski. ➢ Llevar a cabo un ensayo de carga puntual con el martillo de Schmidt para obtener la resistencia a compresión del macizo.
2. Fundamentos teóricos La matriz rocosa trata de un material rocoso exento de discontinuidades o bloques entre ellas. Presenta comportamiento heterogéneo y anisotrópico. Es común que en rocas de mayor tamaño encontremos discontinuidades entre las matrices rocosas, estos conjuntos de matrices rocosas reciben el nombre de Macizo Rocoso.
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Para toda obra de ingeniería es esencial conocer las propiedades y características del macizo rocoso sobre el que se construye, ya que son las bases las que determinan la estabilidad y duración que tendrá la obra. La Clasificación geomecánica de Bieniawski (rock más rating por sus siglas en inglés) es un método de clasificación empírica o in situ para determinar en una escala del 1 al 100 la estabilidad del macizo rocoso. La clasificación varía según el tipo de obra destinada, se diferencia entre taludes, túneles y cimentaciones. Para calcular el índice el método de RMR se basa en 5 parámetros:
Ilustración 1 Clasificación RQD
El método consiste en extraer un testigo de al menos 100mm de longitud y contar la longitud de secciones mayores a 10cm.
1. Resistencia a compresión uniaxial de la roca. 2. Rock Quality Designation 3. Espaciamiento entre juntas. 4. Estado de las diaclasas (factor que a su vez se subdivide en: relleno, apertura, rugosidad, persistencia, alteración) 5. Condición de agua subterránea. A cada uno de estos parámetros se le asigna un rango de cualidades con su debida valoración. Para emplear la tabla 1 se deben de estimar las propiedades listadas y asignar las valoraciones correspondientes. Finalmente se suman los valores individuales y se corrige el resultado según el tipo de obra q ue se vaya a realizar.
Ilustración 2 RQD
Para obtener el RQD en campo sin necesidad de un testigo ubicamos un metro a lo largo de la pared rocosa y contamos la longitud de segmentos que sean mayores a 10 cm. Es recomendable ubicar el metro en diferentes posiciones para poder sacar un promedio
Siempre debe tenerse en cuenta que al ser conjeturas empíricas el valor resultante solo representa una aproximación al valor real que pertenece al macizo rocoso. RQD (Rock quality designation por sus siglas en inglés) es un índice propuesto por Deere que nos indica la calidad del macizo rocoso. Mientras menor sea el porcentaje resultante más pobre será el macizo lo cual puede resultar en inconvenientes a la hora de construir sobre él.
Ilustración 3 Método RQD in situ
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Ver apendice 1
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3. Descripción de materiales y equipos Martillo de Schmidt o Esclerómetro: Instrumento empleado generalmente para determinar la resistencia a compresión del hormigón en columnas o vigas. Su funcionamiento reside en una pesa tensada, esta pesa se deja caer y el martillo toma lectura de la cantidad de rebotes que realiza la pesa desde el impacto hasta que deje de moverse. Los rebotes obtenidos son proporcionales a la resistencia del material probado. Es crucial ubicar el martillo perpendicular a la superficie a analizar, de lo contrario el número de rebotes obtenidos será menor al real.
carga puntual. En la sección anterior describimos al martillo de Schmidt, el cual
20cm
Ilustración 4 Macizo rocoso
Ilustración 5 Martillo de Schmidt
4. Procedimiento experimental: La aplicación del método in situ empieza estableciendo los parámetros en los que basaremos la calificación de nuestro macizo rocoso. Estos parámetros ya han sido mencionados, pero los volveremos a citar con el fin de explicar con detenimiento el proceso realizado para la obtención de cada uno de los datos utilizados. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca.
Para obtener nuestro valor calificativo necesitamos obtener nuestro dato de resistencia a la compresión de la roca. El método más preciso es el ensayo de compresión simple, pero esta demanda de mayor tiempo y mayor gasto económico, ya que requiere de un testigo para la determinación del índice en el laboratorio de suelos. En caso de buscar realizar un levantamiento de información breve podemos emplear el método in situ para la determinación de resistencia a la compresión, más conocido como ensayo de
es el instrumento apropiado para determinar la resistencia del macizo mediante el ensayo antes mencionado. Esto lo realizamos golpeando la roca de forma vertical con el martillo, el cual al impactar nos marcara un valor de la resistencia del mismo.
Rock Quality Designation
Este es otro método calificativo de la calidad del macizo rocoso, que puede ser usado tanto por si solo o como parte de la clasificación de otros métodos, como el que nos encontramos aplicando nosotros. Hay varias formas de obtener nuestro RQD, de las cuales la más común y precisa es el método de análisis de testigos de sondeos, en el que se obtiene el porcentaje de fragmento mayores a 10 cm en el total de la muestra extraída. Pero por motivos tiempo y falta del equipo necesario para la extracción de testigos in situ, se procedió a obtener nuestro RQD mediante la adaptación del método, la cual se explicará en la siguiente sección. Espaciamiento entre juntas
La Separación entre juntas es el parámetro considerado y se mide con ayuda de un flexómetro o cualquier otro instrumento de 3
medición. Se obtiene la separación que hay entre varias diaclasas de la misma familia. Estado de las diaclasas
Esta se subdivide en las siguientes secciones calificativas, las cuales se toman con cualquier instrumento de medición métrico o mediante la observación: •
•
•
•
•
Persistencia: Longitud máxima que alcanza la junta Apertura: Longitud del pequeño espacio que ocupa el relleno en las líneas de separación de las juntas de la misma familia. Rugosidad: tipo de superficie que tiene la familia. Relleno: Tipo de material que rellena los espacios entre las juntas. Alteración: Se observa que tan alterado esta la roca de su estado natural, como por ejemplo algún cambio en su color o algún desgaste inusual que presente una parte significativa de la roca.
Condición de agua subterránea.
En si este parámetro lo calificamos de acorde a la presencia de agua en nuestro levantamiento de datos. En caso de que nos encontremos en un túnel dependerá del caudal que exista en él.
Ilustración 6 Medición el buzamiento y dirección de buzamiento
5. Procesamiento de datos: 5.1 Ensayo de carga puntual Empleamos el martillo de Schmidt de forma vertical para realizar la medición de la resistencia obteniendo número de golpes de 25, 28, 24 empleando la tabla de correlación del número de golpes con la resistencia a compresión de la roca (asumimos una densidad de 24 kN/m 3) obteniendo un valor de 38MPa. Como referencia también tomamos la medida de la resistencia horizontal obteniendo un valor de 44MPa. Para los cálculos de RMR usaremos el valor de resistencia a carga puntual obtenido del ensayo vertical.
Corrección
Por último, fuera de los parámetros de calificación, tenemos el proceso de corrección o ajuste a nuestro valor de RMR, el cual busca reajustar el valor de acorde al proyecto u obra que se vaya a realizar. Dentro de este proceso se toma en cuenta el buzamiento de la diaclasa.
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Tabla 1 Referencia para el numero de go lpes del martillo de Schmidt
5.2 Determinación de RQD Para determinar el RQD decidimos realizar la adaptación en campo, es decir tomar un metro y ubicarlo contra la pared rocosa y contar la cantidad de secciones mayores a 10cm que existen. Ubicamos el metro en diferentes posiciones para obtener un valor promedio. Tabla 2 Prueba de RQD
Prueba
1 2 3
Número de secciones mayores a 10cm
Valor de RQD
Prom.
40+16=56
0.56 0.70 0.68
65%
10+16+22+10+12=70 20+18+20+10=68
5.3 Cálculo de RMR Al observar el macizo rocoso decidimos que contaba con 3 familias predominantes. Realizaremos el cálculo de RMR para cada una de las familias y finalmente tomaremos un valor promedio como el RMR definitivo del macizo rocoso
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Primera familia Buzamiento: 22° Dirección de buzamiento: 224° Tabla 3 Valoración de discontinuidades familia 1
Valoración de las discontinuidades Separación de Juntas 0.30 0.18 0.10 0.085 0.17
Persistencia
Apertura
Rugosidad
Relleno
Alteración
1.10 3.00 2.15 3.10 2.33
1-5mm
Rugosa
Blando
Moderadamente alterado
Tabla 4 Clasificación de la familia 1
La primera familia tendrá un RMR equivalente a: RMR = 4+13+8+4+1+5+2+3+15 = 55 6
Segunda familia Buzamiento: 16° Dirección de buzamiento: 222° Tabla 4 Valoración de discontinuidades familia 2
Valoración de las discontinuidades Separación de Juntas 0.43 0.35 0.19 0.58 0.55
Persistencia 1.30 0.81 0.87 0.54 0.90
Apertura
Rugosidad
Relleno
Alteración
Rugosa
Blando
Moderadamente alterado
5mm
˃
Tabla 5 Clasificación de la familia 2
La primera familia tendrá un RMR equivalente a: RMR = 4+13+10+6+0+5+2+3+10 = 53
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Tercera Familia Buzamiento: 44° Dirección de buzamiento: 23° Tabla 6 Valoración de discontinuidades familia 3
Valoración de las discontinuidades Separación de Juntas 0.40 0.21 0.36 0.60 0.40
Persistencia
Apertura
Rugosidad
Relleno
Alteración
1.23 1.5 0.8 2.10 1.40
1-3mm
Rugosa
Blando
Muy drenado
Tabla 5 Clasificación de la familia 3
La tercera familia tendrá un RMR equivalente a: RMR = 4+13+10+15+4+1+5+2+3 = 57
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Tabla 7 Tabla de resultados
FAMILIA PRIMERA SEGUNDA TERCERA PROMEDIO FINAL
RMR 55 53 57 55
6. Análisis de resultados: Como podemos observar los valores de RMR obtenidos de las tres familias presentes en nuestro macizo rocoso bordean los 50-60. Estos valores no tuvieron corrección debido a que se desconoce la obra o propósito que se le vaya a dar al macizo. Se pudo ver que en los tres casos de familia de juntas la rugosidad, relleno y alteración fueron las mismas, esto debido a que pertenecen al mismo macizo. La alteración que presentaba la roca puede deberse a la cercanía del mismo a un lago, exponiéndose a cualquier alteración del tipo física, química o biológica. Sin embargo, a pesar de no ser de gran magnitud, no podemos descartar el hecho de un desgaste en la calidad de la roca a largo plazo. La presencia de agua cambio, ya que los datos de las familias de juntas fueron tomados en días distintos. Se encontró un pequeño nivel de humedad al tomar los datos de la segunda familia, lo que puede afectar la estabilidad del macizo rocoso.
7. Conclusiones y Recomendaciones: Conclusiones: Obteniendo un promedio de 55 de nuestros valores de RMR podemos clasificar nuestro macizo rocoso como una roca de clase III, calificada como de calidad Media, con tiempo de estabilidad de 1 semana y una longitud de vano de 5 metros. La cohesión en Mega Pascales de esta se encuentra en el
rango de 0.2 a 0.3, teniendo un ángulo de rozamiento de 25° a 35°. Dados los resultados podemos determinar que el macizo rocoso no es precisamente una roca de gran resistencia a la compresión, posiblemente por su composición. Su relleno tampoco ayuda a su estabilidad, debido a lo blando que este puede ser; de igual forma la abertura que existe entre las discontinuidades afectan de forma negativa a la estabilidad del mismo. La alteración de nivel moderado que presenta la matriz puede conllevar a problemas de erosión o desgaste de la roca afectando a su resistencia. Podemos definir estos como los principales motivos de nuestro bajo tiempo de estabilidad. Debemos recordar que este valor debe ser ajustado según el tipo de obra que se vaya a realizar, es decir, que el valor de RMR que tenemos actualmente será aún menor. El valor de ajuste dependerá del buzamiento y de la dirección de buzamiento que determinamos en cada familia u el direccionamiento de estos datos con respecto a la dirección de la obra. En campo debemos procurar direccionar la obra de tal forma que nos del valor de RMR más elevado. El método de bieniawski es un método que si bien es de fácil ejecución es muy libre a interpretación. Varios de los factores de clasificación están sujetos a la interpretación de cada individuo lo cual puede resultar en un mal manejo del procedimiento o en opiniones profesionales que difieran. Se requiere de experiencia en el campo y
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conocimiento más amplio para emplear el método apropiadamente.
poder
Podemos concluir que el método de clasificación RMR, es un método económico y eficiente. En lo que respecta al tiempo de ejecución, es muy rápido dependiendo del tiempo que le dediquemos a la toma de datos, el resto dependerá de nuestra habilidad para manejar los parámetros de las tablas de calificación.
Recomendaciones: ➢
Llevar agua al área de trabajo, la misma que se utilizara para saber la buzamiento.
dirección
del
➢
Observar detalladamente nuestro lugar de trabajo para poder identificar cada tipo de familia.
➢
Manejar los equipos con precaución para así evitar algún
➢
El error humano es grande en este ensayo, por lo que se recomienda ser meticuloso con la toma de datos, utilizar el equipo adecuado y dedicarle el tiempo necesario.
8. Bibliografía:
Hurlimann, M. (2002). Clasificaciones geomecanicas. In M. Hurlimann, Mecanica de Rocas. SGS S.A. (2017, Agosto). Mineria. Retrieved from Designacion de la calidad de la roca (RQD): http://www.sgs.cl/esES/Mining/Metallurgy-andProcess-Design/Unit-Operationsand-MetallurgicalServices/Comminution-andBeneficiation/Rock-QualityDesignation-RQD.aspx
daño en los mismos.
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Apéndice 1 Tabla 8 Clasificación geomecánica de Bieniawski
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