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SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE MACIZOS ROCOSOS METODO DEL INDICE GSI Prof. Antonio Karzulovic

Método del Índice GSI En este anexo se describe la forma de calcular el índice GSI de de calidad geotécnica, desarrollado por Hoek (1994). Aquí se presenta la versión más más reciente de este método.

Referencias: Barton, N.; Lien, R. & Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for design of tunnel support, Rock Mechanics, 6(4): 189-236. Bieniawski, Z T. 1976. Rock mass classification in rock engineering, EXPLORATION FOR ROCK ENGINEERING (edited by Z T Bieniawski), Vol 1, pp 97-106. Balkema: Cape Town. Bieniawski, Z T. 1989. ENGINEERING ROCK MASS CLASSIFICATIONS , 251 p. Wiley: New York. Hoek, E. 1994. Strength of rock and rock masses, ISRM News Journal , 2(2):4-16. Hoek, E. 1999. Putting numbers to geology - an engineer's viewpoint, The Second Glossop Lecture, Quarterly Journal of Engineering Geology & Hydrogeology , 32(1): 1-19. Hoek, E. 2002. Rock Engineering , course notes available on line at http://www.rocscience.com Hoek, E & Brown, E T. 1980. Empirical strength criterion for rock masses, J Geotech Engng Div , ASCE, 106(GT9):1013-1035. 106(GT9):1013-1035. Hoek, E, Carranza-Torres, C & Corkun, B. 2002. Hoek-Brown Failure Criterion - 2002 Edition, Mining

and Tunnelling Innovation and Opportunity, Proc. 5th North Am Rock Mech Symp & 17th Tunn Assn Can Conf , Toronto (eds R Hammah, W Bawden, J Curran and M Telesnicki), Vol 1, pp 267-273. University of Toronto Press: Toronto. Hoek, E, Kaiser, P K & Bawden, W F. 1995. SUPPORT OF UNDERGROUND EXCAVATIONS IN HARD ROCK , 215 p, Balkema: Rotterdam. Hoek, E, Marinos, P & Benissi, M. 1998. Applicability of the geological strength index (GSI) classification for very weak and sheared rock masses. The case of the Athens Schist formation. Bull Eng Geol Env , 57:151-160. Hoek, E, Marinos, P g & Marinos, V P. 2006. Characterization and engineering properties of tectonically undisturbed but lithologically varied sedimentary rocks, under publication, Int J Rock Mech Min

Sci. Marinos, V, Marinos, P & Hoek, E. 2005. The geological strength index: applications and limitations. Bull Eng Geol Env , 64:55-65. Marinos, P & Hoek, E. 2000. GSI: A geologically friendly tool for rock mass strength estimation. Proc. GeoEng2000 Conference (ed M C Erwin), Melbourne, Vol 1, pp 1422-1440, Technomic: Lancaster, Pennsylvania. Marinos, P & Hoek, E. 2003. GSI: Una herramienta geológicamente amigable para estimar la resistencia de los macizos rocosos. INGENIERÍA DEL TERRENO 2 (ed (ed C López Jimeno), pp 77-97, Gráficas Arias Montado: Madrid.

Definiciones: El índice de resistencia geológica, GSI , fue desarrollado por Hoek (1994) para subsanar los problemas detectados con el uso del índice RMR para evaluar la resistencia de macizos rocosos según el criterio generalizado de Hoek-Brown. Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:

- GSI.1 -


RMS

es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón.

JC

es la condición de las estructuras (discontinuidades) presentes en el macizo rocoso.

La evaluación del índice GSI se hace por comparación del caso que interesa con las condiciones típicas que se muestran en Figura 1 y este índice puede variar de 0 a 100, lo que permite definir 5 clases de macizos rocosos: Macizos de calidad Muy Mala (0 ≤ GSI ≤ 20) Macizos de calidad Mala (20 < GSI ≤ 40) Macizos de calidad Regular (40 < GSI ≤ 60) Macizos de calidad Buena (60 < GSI ≤ 80) Macizos de calidad Muy Buena (80 < GSI ≤ 100).     

Respecto a la precisión de la calificación del macizo rocoso mediante el índice GSI , puede considerarse lo siguiente: Calidad Muy Buena: Calidad Buena: Calidad Regular: Calidad Mala: Calidad Muy Mala:

80 ≤ GSI < 100 60 ≤ GSI < 80 40 ≤ GSI < 60 20 ≤ GSI < 40 0 ≤ GSI < 20

→

ΔGSI ≈ ± 5

→

ΔGSI ≈ ± 5

→

ΔGSI ≈ ± 5

→

ΔGSI ≈ ± 6

→

ΔGSI ≈ ± 8

Cálculos: La determinación directa en terreno del índice GSI no requiere de cálculos, ya que el valor de GSI se obtiene directamente de la carta de Figura 1, por comparación de la situación in situ con las casos que se muestran en esta carta. Sin embargo, en la práctica este método considera una “ventana de mapeo” y no es aplicable al mapeo geotécnico de sondajes, por lo que es necesario utilizar otro sistema de calificación para el mapeo de sondajes (e.g. el sistema RMR de Bieniawski), y luego transformar los resultados a valores de GSI conforme a los criterios siguientes (Hoek et al, 1995): (i)

Si se utiliza la versión 1976 del índice RMR (Bieniawski, 1976), deberá suponerse que el macizo rocoso está completamente seco y no deberá efectuarse ajuste por orientación de las estructuras. El valor resultante del índice RMR76 se relaciona con el índice GSI de la siguiente forma: Si RMR76 ≥ 18 entonces GSI = RMR76 Si RMR76 < 18

(ii)

(iii)

entonces no puede estimarse el valor de GSI (la estimación es poco confiable)

Si se utiliza la versión 1989 del índice RMR (Bieniawski (1989)), deberá suponerse que el macizo rocoso está completamente seco y no deberá efectuarse ajuste por orientación de las estructuras. El valor resultante del índice RMR89 se relaciona con el índice GSI de la siguiente forma: Si RMR89 ≥ 23

entonces GSI = RMR89 - 5

Si RMR89 < 23

entonces no puede estimarse el valor de GSI (la estimación es poco confiable)

Si se utiliza el índice Q (Barton et al. (1974)), deberá suponerse que el macizo rocoso está completamente seco y la magnitud del estado tensional es moderada, con lo que los parámetros J w y SRF se hacen iguales a 1.0. El valor resultante del índice Q’ se relaciona con el índice GSI de la siguiente forma:

GSI

=

'

9 ln Q + 44

(1)

Nótese que el valor mínimo de Q’ es 0.0208 y que resulta en un GSI de 9, equivalente a una zona de cizalle potente, con relleno de salbanda arcillosa. Sin perjuicio de lo anterior, debe indicarse que recientemente Hoek et al (2005) señalan que el uso de estas correlaciones no es recomendable en el caso de macizos heterogéneos de rocas débiles, con valores del índice GSI menores que 35.

- GSI.2 -


Comentarios Finales: Respecto al uso del índice GSI para caracterizar geotécnicamente el macizo rocoso, es conveniente indicar lo siguiente: (a) A diferencia de otros índices de calidad geotécnica, el índice de resistencia geológica se desarrolló específicamente para evaluar el efecto de escala en la resistencia al corte del macizo rocoso, definida según el criterio de Hoek-Brown. (b) No es aplicable en aquellos casos en que el comportamiento del macizo rocoso presenta un claro control estructural (desgraciadamente esto es frecuentemente ignorado en la práctica, lo que se puede traducir en una sobre-valoración de la resistencia del macizo rocoso). (c) No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que al evaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio de Hoek-Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”). No considera el espaciamiento entre estructuras, ya que éste está implícitamente incluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a mayor espaciamiento el macizo es más masivo y a menor espaciamiento es de mayor blocosidad). No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek-Brown se define en términos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”). (d) Debe definirse como un rango y no como un valor único. En la práctica es usual definir un rango de unos 10 a 20 puntos (o sea una de las “cajas” en Figura 1). (e) En casos especiales, como macizos rocosos heterogéneos, puede ser necesario desarrollar una versión especial de la tabla de calificación del índice GSI . Un ejemplo de esto se muestra en Figura 2, donde se presenta una tabla desarrollada por Marinos & Hoek (2000) para el caso de macizos heterogéneos estratificados. INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA MACIZOS ROCOSOSO ESTRATIFICADOS HETEROGENEOS (Marinos& Hoek (2000))

En base a una descripción de la litología, la estructura del macizoy la condición de las estructuras (especialmente los planosde estratificación), seleccione una zona en la tabla. Ubique en esa zona la posición correpondiente a la condiciónde las estructuras y estimeel valor medio de GSI . NO trate de ser demasiadopreciso. De hecho, el considerar33 ≤ GSI ≤ 37 es másrealista quesuponer GSI = 35. Note que esta tablaNO es aplicable a problemascon control estructural. Si hay estructuras desfavorablemente orientadas ellascontrolaránel comportamiento del macizo rocoso. En aquellos casos en que la resistencia al corte de las estructuras podriaser afectada por la humedad, deberáconsiderarse la eventual presencia de agua. Estopuede hacerse “desplazando haciala derecha” el rango estimado para GSI para condiciones regular, mala o muy mala de las estructuras. La presión del agua no se considera al evaluar el GSI (análisis en esfuerzos efectivos). COMPOSICION Y ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO

) S N I A O R C U A T I C C F U I T R A T R S T E S E N E O I D C S I D O N N A O C L P (

A. Estratosgruesos de arenisca de mucha blocosidad. El efectode posibles pátinas pelíti-

cas en los planosde estratif icación se ve minimizadopor el confinamiento del macizorocoso; sin embargo, en túneles poco profundos y/o taludes, estos planos de estratificación puedengenerar inestabilidades controladas estructuralemente.

B. Arenisca

C. Arenisca

D. Limolitas

E. Limolitas

con lentes delgados de limolita.

y limonita, en estratos de similar potencia.

o esquistos limosos con estratos de arenisca.

débiles o esquistos arcillososcon estratos de arenisca.

C , D, E y G : Puedenestarmás o menos

plegados que lo indicado, pero esto no altera su resistencia. Si presentan deformación tectónica, fallamientos y pérdidas de continuidad, cambieestas categorías a F y H .

F. Esquistos limosos o arcillosos, defor-

o n o s a c s e r f s e i c i f r e p u s . , A s s a N a d E s a o z U g i r B u r o e Y y t U u e M M M

H. Esquistos limososo arcillosos, defor-

arcillosos no perturbacos, con o sin intercalacionesde estratos delgadosde arenisca.

madostectónicamente, con una estructura caótica y bolsones de arcilla. Estratos delgados de arenisca quebrados en pequeños bloques de roca.

e m e t n e m a d a r e . d s o a d m a s r e e t i c l a i f r y R e p s A u a L s d , a U s z G a i r s o E i e R L t

B R

n o g a c r , f s a n o d i l c u s p o n e e t l n l e e r m l o a s . n a s o t o i s s c o a a l c p u o m g , o n s c a a s s s i o A l a t n n L y i A u t á e M M p m

y s u o n m e l s l e e r i c o i f r e s p a n u i s t e á d p o n o s c a . d i y a l , d u s n a A p a l L y d b A s a a z l l a i M i s r i o c l e r Y y t a U u e e M m d M

70

A 20 60

B, C, D, E

50

madostectónicamente, muy plegados y Cizallados, con estratosde arenisca deformados y quebrados, definiendouna estructura casi caótica.

G. Esquis tos limososo

. s a d a z i r o e t e m o g l a s e i c i f r e p u s , s A a N s E o g U u

F 30

40

N/A

10

N/A

G

H

Indicadeformación por tectonismo.

Figura 2: Carta para evaluar el índice de resistencia geológica en macizos rocosos estratificados y heterogéneos (Marinos & Hoek, 2000).

- GSI.4 -


(f) Una evaluación del índice GSI en base al mapeo de afloramientos de roca en superficie, usualmente afectados por desconfinamiento e intemperización, no necesariamente es válida en profundidad debido a que el macizo rocoso estará confinado y no afectado por la intemperización. (g) El efecto de la meteorización es “desplazar” el índice GSI hacia la derecha en la carta de Figura 1. Si la meteorización ha afectado la roca “intacta” es necesario que los ensayos de laboratorio se ejecuten sobre probetas de roca meteorizada y representativa de la condición in situ del macizo rocoso. Por otra parte, si la meteorización es tan intensa que las estructuras tienden a desaparecer el índice GSI ya no es aplicable y el macizo rocoso deberá tratarse como un suelo residual. (h) En el caso de macizos rocosos dañados por tronadura y/o por desconfinamiento (cual el caso de los taludes de minas a rajo abierto), debe tenerse especial cuidado al evaluar el GSI ya que podría “contarse dos veces” el efecto del daño por tronadura, al incluir el parámetro D propuesto por Hoek et al (2002) para cuantificar este d año al evaluar la resistencia al corte del macizo rocoso. (i) En el caso de macizos masivos de roca blanda el índice GSI no es aplicable, ya que en este caso la resistencia del macizo puede evaluarse en base a los resultados de ensayos de laboratorio (con las consideraciones pertinentes respecto resistencia de largo plazo y eventuales efectos tipo deformación a carga constante). (j) En el caso de roca dura a gran profundidad (eg más de 1000 m), la estructura del macizo rocoso suele ser masiva y su comportamiento se asemeja al de la roca intacta, por lo que el índice GSI se aproxima a 100 y deja de tener sentido su uso para “escalar” la resistencia del macizo rocoso. En este caso es frecuente que la ruptura del macizo esté asociada a la fractura frágil de la roca y la propagación de grietas que, al interactuar, generan los típicos “lajamientos” en las cajas de excavaciones subterráneas en roca dura.

- GSI.5 -

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