CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS.pdf

Las clasificaciones geomecánicas se utilizan mucho actualmente, sobre todo en losestudios geotécnicos de túneles, (donde de los diez mil kilómetros de túneles y galerías que se excavan anualmente aproximadamente un 80 % se excavan atendiendo únicamente a la clasificación geomecánica de los terrenos), pero es conveniente aplicarlas no perdiendo de vista los datos sobre los que se fundamentan. En lo que se refiere a los taludes, la principal ventaja de las clasificaciones geomecánicas consiste en que permiten obtener, mediante unas correlaciones establecidas, los principales parámetros mecánicos del macizo rocoso: módulo de elasticidad, coeficientes del criterio de rotura Hoek-Brown, etc. La utilización directa de las clasificaciones para determinar la estabilidad de los taludes puede tener ventajas en fases iniciales del estudio, pero su empleo como única herramienta de decisión a nivel de proyecto es cuestionable (Bieniawski, 2003b). Los sistemas de clasificación de los macizos rocosos tienen por objeto evaluar sus características para determinar de forma cuantitativa su calidad. El término “macizo rocoso” se refiere al conjunto de uno o varios tipos de rocas atravesados por plano de discontinuidad en el que se inserta la obra de ingeniería o la mina. Su caracterización requiere el conocimiento de los siguientes parámetros: – Resistencia y comportamiento de la roca. – Familias de discontinuidades existentes. – Espaciado de los planos de discontinuidad y fracturación del macizo. – Caracteres geomecánicos de las discontinuidades: continuidad, rugosidad, separación y resistencia de los labios, meteorización y relleno. – Condiciones del agua en las juntas. – Tensiones in situ, naturales o inducidas. – Alteraciones producidas en el macizo rocoso por las excavaciones. las clasificaciones geomecánicas se emplean de forma generalizada en ingeniería para hacer una primera predicción del comportamiento de los macizos rocosos frente a excavaciones. principalmente subterráneas.Utilidad. criterios de rotura y flujo plástico. – Han proporcionado una base y un lenguaje común de comunicación entre geólogos e ingenieros. facilitando el diseño de excavaciones al permitir relacionar las experiencias obtenidas en diversos lugares. limitaciones y condiciones de aplicación de las clasificaciones geomecánicas En la actualidad. aunque también a cielo abierto. Las clasificaciones geomecánicas han producido notables beneficios a la ingeniería entre los que cabe destacar: – Han mejorado la calidad de los estudios de los macizos rocosos por el simple hecho de requerir un mínimo de datos para llevar a cabo la clasificación y han puesto un cierto orden en los trabajos de campo en los que se basan los estudios geotécnicos. – Han permitido dividir los macizos rocosos en grupos de características y comportamiento similar. . – Han suministrado datos básicos sobre las características de los macizos rocosos para la estimación de sus propiedades mecánicas. Su utilidad radica en la facilidad de su aplicación y en los buenos resultados conseguidos en muchos casos. 1982. 1986). . como minería subterránea metálica y de carbón (Laubscher 1977 y 1984. Cuando no se dispone de estas bases experimentales no es prudente utilizar las clasificaciones geomecánicas en contextos diferentes de aquellos para los que fueron creadas. Estas clasificaciones fueron creadas originalmente para excavaciones subterráneas. La principal aplicación de las mencionadas clasificaciones geomecánicas es la selección del sostenimiento de túneles. 1983 y Unal 1983 y 1986). Lien y Lunde (1974). ya que en origen todas ellas se fundamentan únicamente en observaciones efectuadas en cavidades subterráneas.Presente y futuro de las clasificaciones geomecánicas En la actualidad las dos clasificaciones geomecánicas más utilizadas son: la Clasificación Geomecánica o RMR de Bieniawski (1973). aunque el RMR se ha extendido después a otras aplicaciones. estabilidad de taludes (Romana 1985) y arranque de rocas (Weaver 1975. ya que su diseño por métodos analíticos no ha alcanzado todavía el grado de desarrollo necesario para resolver algunos de los problemas que plantean este tipo de obras. particularmente túneles. Kendorski et al. Smith 1987 y Singh et al. Cummings et al. y el sistema Q de Barton. La extensión de estas clasificaciones a otros usos debería ir acompañada de las correspondientes bases de datos históricos. RQD (Rock Quality Designation). A continuación se describen estas cuatro clasificaciones. la de Barton. Lien y Lunde (Q) y la de Hoek-Brown (GSI). Las dos primeras utilizan un parámetro.Clasificaciones más importantes Las tres clasificaciones más utilizadas actualmente son la de Bieniawski (RMR). . que constituye la base de la clasificación de Deere. 1. Figura 5. a partir de testigos de sondeo.Q. tal y como muestra la Figura 5. que en 1967 propuso un sistema de diseño de sostenimientos basado en el RQD. fueron surgiendo otras clasificaciones. como la de Deere.D. Este parámetro se obtiene a partir del porcentaje de trozos de testigo mayores de 10 cm recuperado en un sondeo.1 y permite estimar el grado de fracturación del macizo rocoso. Estimación del R. Fotografía y montaje: David Córdova. . Clasificación de Deere (1967) Para ir dando respuesta a las dificultades planteadas por las clasificaciones primitivas utilizadas para estimar entibaciones de túneles. etc. al no disponer de sondeos. diámetro.2. aunque su precisión no es superior a la que puede proporcionar una mera estimación visual (Bieniawski. En estos casos. 2003a): RQD =110 . . A veces hay que estimar el RQD a partir de datos en afloramientos. 2005). como la técnica del sondeo.). ya que su valor depende no sólo de la fracturación del macizo rocoso sino también de otros factores.5 J (5. su dirección.2. se puede utilizar la siguiente relación (Palmstrom.1) v donde Jv es el índice volumétrico de juntas o número de juntas por metro cúbico (Figura 5.El RQD hay que tomarlo con las debidas precauciones. .2.Figura 5. Estimación del Jv y clasificación del tamaño de bloque en función de espaciados de juntas y número de familias observadas en campo. excepto en rocas expansivas y fluyentes donde no es aconsejable su uso. diaclasas. 1989) Esta clasificación se desarrolló inicialmente a partir de la experiencia en obras realizadas en África del Sur.2.Clasificación de Bieniawski (1973. Su aplicación no tiene apenas limitaciones. La estructura del macizo comprende el conjunto de fallas. El índice que define la clasificación es el denominado RMR (Rock Mass Rating). 5.4.1. es decir. 1976. Obtención del índice RMR Para determinar la calidad del macizo rocoso. se divide éste en dominios estructurales. en zonas delimitadas por discontinuidades geológicas. pliegues y demás características geológicas propias de una determinada región. dentro de las cuales la estructura es prácticamente homogénea. que evalúa la calidad del macizo rocoso a partir de los parámetros siguientes: . 1. 1973 . 1973. estimación de las resistencias medias de ciertas rocas según Bieniawski. se presenta una estimación de las resistencias medias de ciertas rocas según Bieniawski.– Resistencia a compresión simple del material rocoso.1. En la Tabla 5. Tabla 5. . planos de estratificación. de cada conjunto con las mismas características geomecánicas. diaclasas.RQD. etc. . El término junta se refiere a las discontinuidades estructurales: fallas. que se considera de interés para seleccionar el revestimiento de los túneles. es decir. quizás éstas no habrían incluido el RQD. por lo que a no ser por razones históricas. y su espaciado es la distancia media entre los planos de discontinuidad de cada familia. – Espaciado de las juntas. Este parámetro. o sea por la abundante información relacionada con el RQD que existía antes de la aparición de las clasificaciones geomecánicas RMR y Q. Entre este parámetro y el anterior existe una relación clara.-. se ha definido anteriormente al tratar sobre la clasificación de Deere (1967). Tabla 5.2. En la Figura 5.La resistencia del macizo rocoso se va reduciendo al aumentar el número de juntas.3 se muestra gráficamente la variación de resistencia del macizo. cuando disminuyen los espaciados de cada familia. Existen muchas clasificaciones del espaciado de las juntas. Clasificación de Deere (1967) del espaciado de las juntas . La utilizada por Bieniawski es la propuesta por Deere en su clasificación de 1967 que se presenta en la Tabla 5. o sea. en función del espaciado de las juntas y de la resistencia a compresión simple del material rocoso.2. . Resistencia de la roca en los labios de la discontinuidad. En un macizo rocoso diaclasado.Naturaleza de las juntas. agua a presión moderada y agua a presión fuerte. Rugosidad de los labios. La orientación de las discontinuidades respecto al eje de la estructura subterránea es un factor de suma importancia para determinar el sostenimiento necesario. Continuidad (dimensiones) de la junta según rumbo y buzamiento.. el agua tiene mucha influencia en su comportamiento. La correcta orientación de la cavidad puede hacer descender claramente las necesidades de entibación .  Relleno de la junta. La descripción utilizada es la siguiente: completamente seco. debiendo estimarse el flujo de agua en litros/min. – Presencia de agua. húmedo. – Orientación de las discontinuidades. Para describir el estado de las juntas se utilizan los siguientes parámetros: Apertura entre los labios de la discontinuidad. cada 10 m de túnel. 3. se presenta en la Tabla 5. Después de haber definido los 6 parámetros de la clasificación de Bieniawski. La versión presentada en esta tabla es la de 1989.3.4-a.La clasificación dada por Bieniawski referente a orientaciones relativas entre las discontinuidades y el eje de la cavidad. Se parte de un denominado “valor primario” de calidad que es igual a la suma de los cinco primeros parámetros. . se determina la categoría del macizo rocoso. actualmente en uso. Tabla 5. Orientaciones relativas entre las juntas y el eje de la cavidad. cuyos valores se definen en la Tabla 5. . 4-c). orientación de las discontinuidades (Tabla 5. Así se obtiene el RMR del macizo rocoso. Dependiendo del valor total del RMR. es decir. este valor primario se modifica en función del último parámetro descrito. se clasifican los macizos rocosos en cinco categorías (ver Tabla 5.4-b). .Para diseñar el sostenimiento de un túnel. También se presentan las cohesiones y fricciones estimadas de los macizos rocosos en cada una de las cinco clases.4-d se muestran. para túneles.En la Tabla 5. los tiempos durante los cuales se mantienen estables las longitudes sin revestir indicadas. . RQD/Jn. – Jr Rugosidad de las juntas. se define la calidad del macizo rocoso de la siguiente manera: El primer cociente. – SRF “Stress Reduction Factor”. Jr/Ja permite estimar la resistencia al corte entre bloques. Jw/SRF indica el estado tensiones en el macizo rocoso.Clasificación de Barton et al. – Jw Coeficiente reductor que tiene en cuenta la presencia de agua. – Ja Meteorización de las juntas. Mediante los parámetros indicados. factor dependiente principalmente de las tensiones existentes en el macizo rocoso. representa el tamaño de los bloques. El valor de los parámetros Jr y Ja depende también de la presencia de relleno y del tamaño de las juntas. – Jn Número de familias juntas. (1974) Definición del índice de calidad Q En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de calidad Q. basado en los 6 parámetros siguientes: – RQD “Rock Quality Designation”. . 5 a 5. .En las Tablas 5.9 se presentan los valores de todos los parámetros que se han venido describiendo anteriormente. . . 2. laminaciones. si no. pero hay que elegir en primer lugar las juntas de orientación desfavorable. la resistencia a compresión simple de la roca. En rocas muy anisótropas. Cuando no se dispone de sondeos. aunque no den el valor mínimo del cociente Jr/Ja. se contabilizan como juntas ocasionales.5 a 5. σc. etc. El parámetro Jn puede estar afectado por foliación. Se tomarán los valores de los parámetros Jr y Ja de la familia de juntas o discontinuidades rellenas de arcilla más débiles de la zona. 4. esquistosidad. σt. y a tracción. 3. el RQD se estima a partir de afloramientos.Notas para el uso de las Tablas 5. mediante el índice volumétrico de juntas Jv. se evalúan en la dirección más desfavorable para la estabilidad de la estructura subterránea. . Sólo si estas juntas paralelas están suficientemente desarrolladas se contabilizan como una familia. tal como se indicó en la clasificación de Deere.9: 1. . . Utilidad y limitaciones de la clasificación de Barton et al. ya que está basado en un elevado número de casos que comprenden muy diversos tamaños de túneles. 2003). . a excepción de aquellos que están sometidos a elevadas tensiones y presentan fenómenos de fluencia de roca. los casos extremos quedan bien reflejados. Esta limitación es común a todas las clasificaciones geomecánicas. Por ello. El RQD se incluyó tanto en esta clasificación como en la de Bieniawski con objeto de incorporar la experiencia obtenida en el gran número de casos (obras y minas) en los que este parámetro ha sido registrado. no se presenta el problema de falta de sensibilidad a los parámetros considerados individualmente. profundidades y calidades de macizos rocosos. y debido también al amplio rango de los parámetros en esta clasificación.14 (Bieniawski. ya que éstos aparecen como multiplicadores o divisores. Todos los tipos de macizos rocosos están bien representados en esta clasificación. al cual el RQD está ligado conforme se muestra en la Figura 5. aunque el parámetro geotécnicamente más apropiado es el espaciado de las discontinuidades. tipos de excavación. (1974) El índice Q tiene un alto grado de fiabilidad. Por la propia definición del índice Q. Correlaciones entre RMR y Q .