Mapeo Geomecánico

Por: Arturo Maldonado

Mapeo Geomecánico

Contenido:1. Introducción:..................................................................................................................32. Parámetros necesarios:..................................................................................................3

2.1 Ubicación y orientación de traversa........................................................................32.2 Tipo de estructuras..................................................................................................32.3 Orientación de estructuras.......................................................................................42.4 Frecuencia y espaciamiento:....................................................................................4

2.4.1 Frecuencia de discontinuidades:......................................................................42.4.2 Frecuencia lineal:.............................................................................................42.4.3 Espaciamiento:................................................................................................4

2.5 Persistencia:.............................................................................................................52.6 Apertura:..................................................................................................................52.7 Relleno:....................................................................................................................52.8 Rugosidad:...............................................................................................................62.8 Alteración:...............................................................................................................92.9 Condición de Aguas subterráneas.........................................................................102.10 Resistencia estimada de la roca intacta:..............................................................102.11 Estimación del Índice de resistencia geológica (GSI).........................................122.12 Litología..............................................................................................................13

3. Parámetros Calculados:...............................................................................................133.1 Jv............................................................................................................................133.2 RQD......................................................................................................................133.2 Tamaño de bloque:................................................................................................153.3 Índice de Tamaño de Bloque (Block size index)...................................................153.4 RMR básico...........................................................................................................153.5 Estimación del ángulo de dilatancia “ i”...............................................................163.7 Módulo de deformación del macizo......................................................................173.8 Estimación del Módulo de deformación de la Roca intacta..................................173.9 Estimación de la resistencia del macizo rocoso...................................................183.10 Estimación de los parámetros de Mohr – Coulomb para el macizo...................19

4. Bibliografía:.................................................................................................................20

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1. Introducción:

Este documento pretende ser una referencia técnica para el personal que realiza mapeo geotécnico. Se ha tratado de sintetizar los diferentes conceptos, tablas y nomenclaturas utilizadas en la caracterización geomecánica.

Es conocido que el comportamiento mecánico del macizo rocoso es gobernado esencialmente por las discontinuidades, ya que la resistencia de la roca intacta se ve disminuida con el aumento de densidad de estructuras. También, la permeabilidad es afectada por la red de estructuras, y esto determina una menor resistencia de macizo rocoso, influenciando en la estabilidad de taludes y el control de voladura.

La necesidad de hacer mapeo geotécnico se fundamenta en la recolección de información que se utilizara para:

Actualización de los dominios lito - estructurales Realización del análisis cinemático de taludes. Clasificación geomecánica del macizo rocoso Estimación de los parámetros de resistencia del macizo rocoso. Predicción de la fragmentación en los proyectos de voladura Estimación de la influencia de las estructuras en el precorte.

2. Parámetros necesarios:

2.1 Ubicación y orientación de traversa

Se debe tratar de seguir un procedimiento parecido al siguiente: Registrar el nivel de piso del banco, nombre del tajo y sector. Marcar el punto de inicio de la ventana de mapeo Ubicar la cinta métrica al pie del talud y medir una longitud igual a la altura

de banco, (10, 15 o 30 metros), según corresponda a banco simple o doble. Registrar la orientación de la cara de banco y el ángulo de banco Al final de cada ventana escribir sobre la pared un número consecutivo al

anterior Los puntos de cada ventana deben ser registrados topográficamente Si es un banco terminado, mida el ancho de berma logrado.

2.2 Tipo de estructuras

Las estructuras geológicas consideradas son:

Tipo de estructura: simbologíaJuntas J

Estratificación BZonas de cizalla S

Fallas FVenillas V

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2.3 Orientación de estructuras

Con la brújula azimutal se registra la orientación de las estructuras según la regla de la “mano derecha”, luego se adiciona 90 grados al azimut leído para obtener la conversión al formato dip / dipdirection.

Adicionalmente en el caso de fallas se debe registrar el movimiento relativo de los bloques, como: normal “N”, inverso “I”, de rumbo “R”, así como las componentes dextral: “D” y sinextral “S”.

El ángulo entre la estría1 de movimiento y la línea de rumbo, conocido como “pitch”, debe medirse considerando la naturaleza del salto de la falla.

2.4 Frecuencia y espaciamiento:

2.4.1 Frecuencia de discontinuidades:

Definida como el número de discontinuidades de una familia por longitud de traversa. Por ejemplo en una ventana de 15 metros de longitud se contaron 50 juntas de una misma familia, es decir que la frecuencia es de 50 fracturas en 15 metros, o de 3.3/m

2.4.2 Frecuencia lineal:

Se define una línea de muestreo orientada de modo horizontal o vertical y se cuentan todas las discontinuidades que cortan a la línea de muestreo, sin tomar en cuenta la familia a la que pertenecen, así por ejemplo se puede definir 10 fracturas por metro, o como: 10/m

2.4.3 Espaciamiento:

Es el espacio existente entre discontinuidades de una misma familia, medida en milímetros. Por ejemplo, en una familia de juntas el espacio medido entre junta y junta es de 0.125 metros o 125mm, esta medición también puede ser expresada como frecuencia de discontinuidades, por ejemplo si se tiene 8/m de un mismo sistema, equivale a 0.125m de espacio entre fracturas, o de 125mm. Para el mapeo se registrará la frecuencia de discontinuidades y se calculará el espaciamiento por familia, para finalmente hacer su valoración según la siguiente tabla:

Espacimiento: Valor>2m 20

0.6-2m 15200-600mm 1060-200mm 8

<60mm 5

1 Petit (1987)

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Para la valoración también puede utilizarse el siguiente gráfico:

Espaciamiento Valuación

0

5

10

15

20

0 400 800 1200 1600 2000

Espaciamiento (mm)

Val

uac

ión

2.5 Persistencia:

Es definida como la extensión o longitud alcanzada por las discontinuidades. La persistencia es estimada visualmente dentro de algún rango de longitud expresado en metros, pudiendo ser valorada y calificada según:

Persistencia: Valor Significado<1m 6 Muy baja persistencia1-3m 4 baja persistencia3-10m 2 mediana persistencia

10-20m 1 alta persistencia>20m 0 muy alta persistencia

2.6 Apertura:

Es definida como la abertura existente entre las paredes de la discontinuidad, la cual se mide en milímetros y es descrita según:

Apertura: Valor0 6

<0.1mm 50.1-1.0mm 4

1-5mm 1>5mm 0

2.7 Relleno:

Es el material contenido en la abertura de las discontinuidades. Del relleno se puede describir: composición, mineralogía, tamaño de partícula, redondez, contenido de agua, etc. Se simplifica a describir el relleno, como:

a. Relleno duro: roca triturada, brecha, cuarzo, silicatos.b. Relleno Suave: yeso, calcita y sobre todo arcillas.

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El relleno luego es valorizado como:

Relleno: Valorninguno 6

Duro, >5mm 4Duro, <5mm 2

Suave, >5mm 2Suave, <5mm 0

2.8 Rugosidad:

Es la superficie irregular de cualquier discontinuidad. También descrita como aspereza o “asperita” ha sido estudiada por diversos investigadores, con la finalidad de definir su influencia en el incremento de la resistencia al corte de las estructuras.La tabla de perfiles de rugosidad2 mas utilizada para estimar la forma de la superficie de discontinuidad es mostrada a continuación:

Tabla 01

La anterior tabla puede usarse en aquellos perfiles de rugosidad que van de 1 a 10 metros de longitud y la descripción se hace según:

Clase Descripción de rugosidad (Brown, 1981) #I áspera, irregular, escalonada 1II lisa, escalonada 2III pulida con estrías, escalonada 3IV áspera o irregular, ondulada 4V lisa, ondulada 5VI pulida con estrías, ondulada 6VII Áspera, o irregular, plana 7VII lisa, plana 8IX pulida con estrías, plana 9

2 Tabla propuesta por Brown (1981)

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Para cuantificar la rugosidad se utilizará la estimación del coeficiente de rugosidad 3, como se muestra en las siguientes tablas 02 y 03.

Tabla 02

Para el uso de la tabla 02, se debe hacer una línea de sección de 1 metro sobre la estructura, luego mirando de canto medir perpendicular a la línea de sección la amplitud de las asperezas, en varios tramos. Finalmente defina un valor promedio de la amplitud e interpole el valor del JRC utilizando las líneas diagonales de la tabla 02.

Por ejemplo, en un perfil de 1 metro de longitud se midió 4 amplitudes que son: 25, 36, 41, 38 mm, lo cual nos da un valor promedio de 35mm, y luego de interpolar se consiguió un valor de JRC = 16.

La tabla 03 puede emplearse para encontrar la correspondencia con la descripción cualitativa de la rugosidad hecha por Bieniawski.

3 El coeficiente de rugosidad es abreviado como JRC, siglas que corresponde a la abreviatura de “Joint roughness coefficient”, parámetro propuesto por Barton (1989)

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Tabla 03

Para el uso de la tabla 04, se requiere observar el plano de la estructura desde el canto en la escala gráfica de 10 cm de longitud, esto permite estimar rápidamente el JRC.

Tabla 04

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La rugosidad es descrita utilizando la valoración de Bieniawski (1989), la cual contempla la evaluación cualitativa de la rugosidad como:

Rugosidad: ValorMuy rugoso 6

rugoso 5moderadamente rugosa 3

suave 1superficie de falla 0

2.8 Alteración:

En alteración se observará: la oxidación de fracturas, decoloración superficial y descomposición del macizo rocoso. Para esto se utilizará la tabla propuesta por Brown (1981), con la cual se puede clasificar el grado de alteración como:

término Clase DescripciónExtensión de la Decoloración

Condición de fractura

Características de superficie

Fresca 1signos no visibles del material de roca

alteradaNinguna

cerradas y descoloridas

Sin cambio

Débilmente alterada

2Decoloración indica alteración de la

masa rocosa sobre las superficies de discontinuidades

Ext. <20% del espaciamiento de fracturas, sobre

ambos lados de la fractura

Decoloración, y podría contener

relleno finoparcial decoloración

Moderadamente alterada

3

Menos del 50% del material de roca esta descompuesta y/o desintegrada a un

suelo. La roca fresca o decolorada este presente como una estructura discontinua, o testigo de roca.

Ext. >20% del espaciamiento de fracturas, sobre

ambos lados de la fractura

Decoloración, y podría contener

un amplio relleno

Parcial a completa decoloración, no es friable excepto en rocas pobremente

cementadas

Altamente alterada 4

Mas del 50% del material de roca esta descompuesta y/o desintegrada a un

suelo. La roca fresca o decolorada este presente como una estructura discontinua, o testigo de roca.

de lado a ladorelleno con

alteración de minerales

friable y posiblemente llena

de agujeros

Completamente alterada

5

100% del material de roca esta descompuesta y/o desintegrada a un

suelo. La estructura original de la masa rocosa aun permanece intacta en gran

parte.

de lado a ladorelleno con

alteración de minerales

Semejante a un suelo

Suelo residual 6

Todo el material de roca esta convertido a suelo. La estructura de la masa rocosa

y la fábrica están destruidas. Hay un gran cambio en el volumen, pero el

suelo no ha sido transportado de manera significativa.

de lado a lado N/ASemejante a un

suelo

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La tabla anterior permite estimar el grado de alteración para luego utilizar la valorización de Bieniawski (1989), como:

Alteración: ValorInalterada 6

débilmente alterada 5alteración moderada 3altamente alterada 1

Descompuesta 0

2.9 Condición de Aguas subterráneas

Las condiciones de humedad y de flujo de agua en las paredes de los taludes están controladas no solo por la porosidad de las rocas, sino también por el grado de infiltración a través de las discontinuidades, esto reduce la resistencia del macizo y también de las discontinuidades a los esfuerzos de corte.

Bieniawski considera una valoración que disminuye con la presencia de agua en el macizo, esto reducirá el valor de RMR cuando exista mayor cantidad de agua:

Condición de aguas subterráneas

Valor

Completamente seca 15Seca 10

Húmeda 7Goteando 4

Flujo continuo 0

El contenido de agua en las estructuras con relleno puede observarse siguiendo la siguiente guía:

w Contenido de agua y permeabilidad (discontinuidades con relleno)

1Los materiales de relleno están fuertemente consolidados y secos, la existencia de flujos significativos son improbables, debido a que la permeabilidad es muy baja.

2los materiales de relleno están húmedos, pero no hay agua libre presente

3los materiales de relleno están mojados y existen gotas de agua ocasionales

4los materiales de relleno muestran señales de desgaste y existe flujo continuo de agua (estimar el flujo litros/min)

5los materiales de relleno muestran desgaste localmente, hay considerable flujo de agua y drenes de desgaste (estimar el flujo y la presión)

6Los materiales de relleno están completamente desgastados, y se observan altas presiones de agua, especialmente en la primera exposición (estimar el flujo y la presión).

2.10 Resistencia estimada de la roca intacta:

La estimación de la resistencia de la masa rocosa a la compresión uniaxial no confinada, es estimada empíricamente realizando golpes con el martillo de

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geólogo o intentando hacer ralladuras con una navaja sobre la superficie de la discontinuidad, luego se debe comparar esta experiencia con lo descrito en la tabla de la ISRM4.

La resistencia a la compresión uniaxial es valorizada según:

Resistencia: ValorR6 15R5 12R4 7R3 4R2 2R1 1R0 0

En el caso de contar con ensayos de laboratorio de compresión uniaxial o carga puntual, podríamos hacer una precisión mayor para la valorización de Bieniawsky, al utilizar la siguiente gráfica:

4 Tabla de estimación de la resistencia a la compresión uniaxial no confinada propuesta por la “International Society for Rock Mechanics”, ISRM (1983)

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2.11 Estimación del Índice de resistencia geológica (GSI)

Este índice5 expresa la resistencia geológica de un macizo utilizando la descripción de las condiciones estructurales y de la alteración, vistas en el macizo durante el mapeo geotécnico. El GSI es correlacionado al criterio ruptura de Hoek-Brown, permitiendo la estimación de los valores de cohesión y fricción de Mohr – Coulomb para un macizo, como se explica mas adelante.

La tabla mostrada abajo tiene una exactitud de estimación de +/- 5 unidades.

5 El índice de resistencia geológica, en ingles “Geological Strength Index” que corresponde a la abreviatura GSI, Marinos- Hoek (2000)

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2.12 Litología

La litología presente será descrita como:

Tipo de roca: SimbologíaMonzonita Mz

Skarn piroxenos

SkSkarn granatesSkarn de magnetita

CalizasCz

MármolDioritas / Porf. Dioritas Di

Andesitas AnLatitas LaLutitas Lu

Hornfelses HfCuarcitas C

3. Parámetros Calculados:

3.1 Jv

La suma de las frecuencias de juntas definirá el valor de Jv, también llamado “coeficiente volumétrico de Juntas”. Así por ejemplo: para tres familias de juntas con sus frecuencias definidas por la longitud de la traversa de 15 metros, se calculará un Jv como:

Jv = 60/15 + 65/15 + 50/15 = 4 + 4.33 + 3.33 = 11.66/m3

3.2 RQD

El índice de calidad de roca: RQD, fue creado para intentar clasificar un macizo rocoso considerando solo la densidad de fracturas. En la actualidad hay dos correlaciones utilizadas para estimar su valor.

En función del Jv, para el valor de 11.66/m3, se obtiene:

RQD = 76.8

Adicionalmente se puede estimar con una frecuencia lineal un valor de RQD máximo, media la expresión:

Por ejemplo una familia de juntas tiene una frecuencia lineal de 4.33/m es decir un espacimiento de 230mm, lo cual determina un RQDmáx de 92.9, y también un RQDmed 80. Ver en la gráfica siguiente:

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La valoración aproximada del RQD se hará como:

Rqd Valor90-100 2075-90 1750-75 1325-50 8<25 3

La curva de estimación de RQD de Hudson & Priest puede ser utilizada para una estimación de campo:

RQD vs. Espaciamiento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 100 1000

Espaciamiento (mm)

RQ

D (

%)

RQD máximo

RQD mínimo

RQD medio

)11.0(100 1.0 eRQD

De un modo más exacto, se puede estimar una valorización del RQD según la curva siguiente:

RQD Valuación

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

RQD (%)

Val

uac

ión

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3.2 Tamaño de bloque:

Un modo práctico para describir el tamaño de bloques de un macizo es utilizando el Jv, como se muestra en la siguiente tabla propuesta por la ISRM.

Descripción JvBloques muy grandes <1.0

Bloques grandes 1-3Bloques de Tamaño medio 3-10

Bloques pequeños 10-30Bloques muy pequeños >30

3.3 Índice de Tamaño de Bloque (Block size index)

El tamaño de bloque es importante para el cálculo de tonelaje en zonas de deslizamiento y para las estimaciones de fragmentación en voladura.

Un modo práctico de definir el índice de tamaño de bloque es con la expresión:

En donde “Sn” representa al espaciamiento “en metros” para cada familia, siendo “n” el número de familias reconocidas en campo.

3.4 RMR básico

Es un índice de clasificación de la masa rocosa, para lo cual se suman las valoraciones dadas a la resistencia de la roca intacta, densidad de fracturas, condiciones de juntas e infiltración de agua. Como se muestra en el siguiente ejemplo:

Grupo Parámetro EstimaciónValuación

(#)*Resistencia roca intacta

Resistencia estimada R3 4

**Calidad de macizoEspaciamiento (mm) 100 6.5RQD% 48 9.7

Condición de discontinuidades

Persistencia (m) 15 1Apertura (mm) 3 1Tipo de relleno Suave<5mm 0Rugosidad moderada 3Grado de alteración débilmente 5

Condición de aguas subterráneas seca 10RMR básico 40.2

(*) La resistencia estimada como R3, puede ser ajustada realizando ensayos de carga puntual o compresión uniaxial.

(**) El valor de RQD = 48% de preferencia es calculado utilizando el valor de Jv, por ventana de mapeo

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(***) El valor del RMR = 40.2, para efectos de clasificación del macizo debe ser considerado como valor entero, con una precisión de 5, por tanto un valor de RMR = 40 es suficiente.

Para el RMR de 1989, en el caso que el RMR básico sea mayor a 25, se cumple:

Esta equivalencia no descarta la necesidad de estimar el GSI utilizando la tabla de estimación6. Esto implicaría investigar una correlación propia para entre el RMR básico y el GSI estimado.

3.5 Estimación del ángulo de dilatancia “ i”

Barton y Bandis (1980) han propuesto una manera modificada de estimar el ángulo de dilatancia de Patton, denotado por la letra i, el cual se deduciría de la ecuación:

Siendo el JCS la resistencia a la compresión uniaxial de la pared de junta (para roca fresca se puede considerar igual a la resistencia de la roca intacta), y n es el esfuerzo normal a la junta. Para el ángulo de dilatancia de pico el valor del esfuerzo normal es bien bajo aprox. 0.001 MPa, como en el ensayo de “tilt test”.

Es recomendable estimar el valor del JCS utilizando el esclerómetro de Schmidt, ya que esta estimación considera: la inclinación de las estructuras, el número de rebote del martillo y la densidad de la roca, como:

6 Tabla de estimación de Hoek (2000)

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* El ángulo i unido al ángulo de fricción básico definen el ángulo de fricción de pico, el cual puede ser utilizado para la estimación del factor de carga de explosivos según la ecuación de Bougainville7.

3.7 Módulo de deformación del macizo

Este módulo es análogo al modulo de Young de la roca intacta, sin embargo es calculado para el macizo rocoso según las ecuaciones siguientes:

Donde: es la resistencia a la compresión uniaxial no confinada de la roca intacta

D es la perturbación de la masa rocosa por efecto del método de excavación y la voladura.

3.8 Estimación del Módulo de deformación de la Roca intacta

Este módulo es estimado desde la razón de proporcionalidad entre los módulos de deformación de macizo y de la roca intacta, como:

La ecuación anterior presentada por Bieniawski en 1978 esta relacionada al RQD del siguiente modo:

donde: = 0.225 y = 0.013 son constantes de correlación.

e = 2.718281, valor del número exponencial.

7 Hoek & Bray - 1973

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3.9 Estimación de la resistencia del macizo rocoso

Esta estimación incluye de la resistencia del macizo rocoso incluye: resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, ángulo de fricción y cohesión.

El cálculo de la resistencia del macizo rocoso se sostiene en la ecuación general del criterio de falla de Hoek8:

Siendo la resistencia a la compresión uniaxial no confinada de la roca intacta y mb S y a son las constantes de Hoek para el macizo rocoso. Tales constantes son calculadas considerando:

Diferentes valores por tipo de roca para la constante mi , la cual es análoga a la cohesión de la roca intacta.

Así también los valores de perturbación9 : D y GSI, estimados desde las tablas de Hoek.

El cálculo de la Resistencia a la compresión del macizo es:

Y de la resistencia a la tracción macizo:

8 Evert Hoek, Carlos Carranza, Brent Corkum – (2002)9 Perturbación o en ingles: “disturbed”, que corresponde a la letra D, es un parámetro que relaciona los métodos de excavación con la disminución de la resistencia del macizo rocoso.

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3.10 Estimación de los parámetros de Mohr – Coulomb para el macizo

La resistencia general a la compresión del macizo es estimada en función de: mb

S a como:

Para el cálculo de los parámetros de Mohr – Coulomb se hace necesario ajustar por la resistencia a la compresión general, el esfuerzo confinante, la densidad de la roca y las constantes de los materiales: mb S a

a. Ajuste de los esfuerzos de confinamiento según el tipo de aplicación:

b. Calculo de fricción y cohesión de macizo:

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4. Bibliografía:

Allmendinger, R (2001) – Structural Geology - Short course.

Bieniawski Z.T. 1989. – Rock mass classification in rock engineering. In Exploration for Rock Engineering, Proc. of the Symp, (ed. Z.T. Bieniawski), 97-106. Cape Town, Balkema.

Hoek, E. and Brown, E.T. 1980– Underground Excavations in Rock, London, Int. Min. Metal.

Hustrulid, W., McCarter, M., Van Zil, D. 2001 - Slope Stability in surface mining – SME.

Hoek, E. and Bray, 1973 – Rock Slope Engineering, London, Instn Min. Metal.

Hudson, J. A. & Harrison, J.P. -1997. – Engineering Rock Mechanics, an introduction to the principles, Pergamon.

Hoek, E, Carranza, C, Torres, Corkum B.- Hoek-Brown failure Criterion-2002 edition

Marinos, P & Hoek, E. 2000. GSI – A geologically friendly tool for rock mass strength estimation. Proc. Geo. Eng. 2000 Conference, Melbourne.

Palmstrom A. (1995): RMi – A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, PhD thesis, Oslo University, Norway

Sjöberg, J 1999 - Analysis of Large Scale Rock Slopes, Doctoral thesis Lulea University .

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Sheorey P.R.1997. – Empirical rock failure Criteria

Priest, S. 1993 - Discontinuity Analysis for Rock Engineering,

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