3. Macizos Rocosos

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas 12 al 16 Septiembre 2016

Kimie Suzuki Morales

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Contenidos: 

Día 2 y 3



MACIZOS ROCOSOS

  

Introducción Sistemas de clasificación de macizos rocosos Criterios de falla de macizo rocoso Escalamiento de propiedades del macizo rocoso Geotecnia aplicada a minería de caving en Chile (Andres Brzovic)

Macizo rocoso Definición

Componentes:

Hudson and Harrison, 1997

Universidad de Chile



Roca intacta: Volumen de roca que se encuentra entre las discontinuidades (Matriz rocosa)



Discontinuidades: Planos de debilidad pre-existentes que alteran la homogeneidad del macizo rocoso. Ejemplos: fallas, diaclasas, planos de fractura, de clivaje, juntas

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3

Macizo rocoso Macizo rocoso blocoso

Macizo rocoso con vetillas Marinos and Hoek, 2001, Brzovic, 2010, Jakubec, 2013

Macizo rocoso estratificado Universidad de Chile

Macizo rocoso heterogéneo

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4

Macizo rocoso Macizo rocoso blocoso

Universidad de Chile

Palmstrom, 2005

Una gran variedad de tamaños y formas de bloques forman distintos macizos rocosos

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5

Macizo rocoso

¿Cómo se puede determinar el comportamiento del macizo rocoso?

Universidad de Chile

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6

Macizo rocoso Métodos empíricos Mark, 2015

Universidad de Chile

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7

Macizo rocoso Métodos empíricos

Requisitos recomendados: Requerimientos de parte del usuario: • Los parámetros deben ser fácilmente medibles por usuarios que no requieren conocimientos especializados • La descripción de parámetros debe ser clara de modo que minimice la subjetividad asociada al método • Debe poder aplicarse en un rango amplio de condiciones

2.

Requerimientos teóricos: • La calibración debe considerar casos históricos que representen una aplicación en terreno • El método debe incluir todos las propiedades relevantes del macizo rocoso para una aplicación en particular

Universidad de Chile

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Einstein et al. 1979

1.

8

Macizo rocoso Comportamiento del macizo rocoso Superficie

La elección de las propiedades que afectan el comportamiento del macizo rocoso depende del problema en particular y de las condiciones ingenieriles.

Dominado por discontinuidades

En general, la estabilidad disminuye cuando las dimensiones de la excavación aumentan en relación al espaciamiento promedio de las discontinuidades, lo cual tiene implicancias en las propiedades del macizo rocoso. Túnel pequeño Perforación

Caverna

Universidad de Chile

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Hudson, 1993

Túnel grande

Dominado por esfuerzos

9

Macizo rocoso Efecto escala

En muestras de laboratorio la presencia de discontinuidades varía considerablemente de una muestra a otra. Sin embargo, la muestra se vuelve estadísticamente mas representativa a medida que el volumen de esta aumenta hasta alcanzar el REV. Escala Características Perforación

Intacto Continuo

Probeta de roca

Caserón

Universidad de Chile

Muestra muy Blocosa Pseudo-Continua

Hudson, 1993

Blocoso Discontinuo

Macizo rocoso muy fracturado

Propiedad

Túnel

Tamaño

REV: Volumen elemental representativo

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10

Macizo rocoso Efecto escala

Ejemplo: La resistencia puede aumentar, disminuir u oscilar al aumentar el tamaño, comportamiento que dependerá del arreglo estructural y su ubicación espacial. Otras propiedades que varían con la escala son: 

  Harthong et al, 2012

Universidad de Chile

Módulo de deformación Frecuencia de discontinuidades Permeabilidad del macizo rocoso

Es decir, propiedades que dependen de la presencia de discontinuidades.

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11

Macizo rocoso Efecto escala Palmstrom, 1995 Longitud (m)

Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Unidades geológicas y tectónicas de grandes dimensiones

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero

Túneles, taludes, excavaciones subterráneas de gran dimensión

Excavaciones de pequeña dimensión

Muestras de laboratorio

Universidad de Chile

Granos de minerales

La escala en la que se encuentre una discontinuidad indicará su significancia en el problema

12

Macizo rocoso

¿Cuál es la diferencia entre caracterizar y clasificar el macizo rocoso?

Universidad de Chile

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13

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Macizo rocoso

Sistemas de clasificación

Sistemas de clasificación Introducción



Son métodos de diseño empírico basado en la caracterización del macizo rocoso



Sus principales objetivos son: • •

•

Cuantificar información geológica (son útiles para permitir una base común de comunicación entre ingenieros y geólogos) Estimar la calidad del macizo rocoso para predecir su comportamiento después de una aplicación de ingeniería (son útiles para extrapolar experiencias previas) Evaluar preliminarmente la aplicación de un proyecto de ingeniería en un determinado macizo rocoso (son útiles en las primeras etapas de diseño)

Universidad de Chile

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15

Sistemas de clasificación Componentes

•

• •

Identificación de parámetros que afectan el comportamiento del macizo rocoso Caracterización de estos parámetros Asignación de ponderadores relativos a cada parámetro

Milne and Hadjigeorgiou, 2000

La combinación de los siguientes elementos permite clasificar un macizo rocoso para un propósito ingenieril específico:

Debido a la complejidad del macizo rocoso, ningún sistema de clasificación puede incorporar todos los parámetros que lo afectan. Un método en particular sólo entregará resultados adecuados para condiciones similares a los casos usados en la calibración. Es decir, aplicar distintos métodos a un mismo macizo rocoso resultará en distintas predicciones. Universidad de Chile

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16

Sistemas de clasificación Clasificación de la calidad del macizo rocoso

Mayor estabilidad

Menor estabilidad

?

?

?

Mayor calidad

Universidad de Chile

?

Menor calidad

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17

Sistemas de clasificación • RQD: Rock Quality Designation (Deere et al., 1967) • RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1973, 1974, 1975, 1976, 1979, 1989) • MRMR: Mining Rock Mass Rating (Laubscher and Taylor, 1976; Laubscher 1977, 1990; Laubscher and Jakubec, 2001)

Bieniawski, 2011

• Q: Rock Tunneling Quality Index (Barton et al., 1974; Grimstad and Barton, 1993; Barton, 2002) • GSI: Geological Strength Index (Hoek, 1994: Hoek et al., 1995; Hoek, 1998, 1999; Marinos and Hoek, 2001) Universidad de Chile

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18

Sistemas de clasificación Antes de utilizar una de estas metodologías deben conocerse:  Los casos de estudio que representan  Las limitaciones de la metodología  Los supuestos considerados

• RQD: Rock Quality Designation (Deere et al., 1967) • RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1973, 1974, 1975, 1976, 1979, 1989) • MRMR: Mining Rock Mass Rating (Laubscher and Taylor, 1976; Laubscher 1977, 1990; Laubscher and Jakubec, 2001) • Q: Rock Tunneling Quality Index (Barton et al., 1974; Grimstad and Barton, 1993; Barton, 2002) • GSI: Geological Strength Index (Hoek, 1994: Hoek et al., 1995; Hoek, 1998, 1999; Marinos and Hoek, 2001)

Universidad de Chile

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19

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Macizo rocoso

Rock Quality Designation (RQD)

Rock Quality Designation (RQD) ¿Por qué razón fue creado?

Es el primer intento por sistematizar la clasificación del macizo rocoso a partir de la observación de estructuras en un sondaje. Fue desarrollado con el objetivo de predecir las condiciones de un túnel.

Barton and Grimstad, 2014

Universidad de Chile

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21

Rock Quality Designation (RQD) Definición

Hutchinson and Diederichs , 1996

Testigos de sondajes Diámetro ≥ 54 mm

El RQD debe determinarse a partir de testigos de 54,7 mm de diámetro (testigos de tamaño NX) utilizando la siguiente formulación:

RQD 

Fractura por perforación Longitud total del tramo (ej: 200 cm)

 Trozos de longitud

 10 cm 100 (%) Longitud total del tramo Perdida de testigo

Testigo menor a 10 cm

Valor RQD

Comparación con la clasificación general de túneles

Muy mala Mala Regular Buena Excelente

0 - 25 25 - 50 50 - 75 75 - 90 90 - 100

Triturado Muy blocoso Blocoso Masivo Intacto

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Deere and Deere, 1989

RQD

22

Rock Quality Designation (RQD) Impacto de considerar testigos mayores a 10 cm

No da información de testigos menores a 10 cm

Palmstrom, 2005

No da información de testigos mayores a 10 cm

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23

Rock Quality Designation (RQD) Impacto en la orientación del sondaje relativo a las discontinuidades

Palmstrom, 2005

Testigos >10cm se muestran en negro. Ambos casos presentar similar estructura de macizo rocoso pero RQD muy distintos

RQD depende de la dirección en la que se mida

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24

Rock Quality Designation (RQD) Método alternativo de estimación en línea de mapeo

En terreno utilizado una línea de mapeo: 1. 2.

3.

Utilizar una regla de 2 m de largo Calcular RQD utilizando el mismo procedimiento anterior, es decir, considerar todas las discontinuidades que intersectan la línea de mapeo No considerar discontinuidades de menos de 30 cm de largo ni discontinuidades claramente inducidas

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25

Rock Quality Designation (RQD) Método alternativo de estimación en línea de mapeo

Palmstrom, 2005

Testigos >10cm se muestran en negro. El RQD no representa la variación en los tamaños de bloque Universidad de Chile

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26

Rock Quality Designation (RQD) Método alternativo de estimación en línea de mapeo

RQD 

 Trozos de longitud

 10 cm 100 (%) Longitud total del tramo

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Zhang et al, 2013

¿Qué tan importantes son estos valores?

27

Rock Quality Designation (RQD) Limitaciones 

Depende de la técnica de perforación y el manejo de la muestra. Rupturas causadas por el proceso de perforación o por el operador deben ignorarse. Usualmente se caracterizan por superficies rugosas frescas.



El método no da resultados confiables en litologías que casi no tienen discontinuidades o en litologías en las cuales es dificil obtener muestras de roca intacta, como por ejemplo rocas blandas estratificadas.



No representa completamente al macizo rocoso, un RQD alto

¿representa a un macizo de buena calidad?

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28

Rock Quality Designation (RQD) Otros métodos para estimar el RQD

Bieniawski, 1989 Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Palmstrom, 1974

Priest and Hudson, 1976

Universidad de Chile

Jv: numero de total de discontinuidades por m3. RQD=100 for Jv<4.5

𝐽𝑉 = ෍

1 𝑆𝑖 29

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Macizo rocoso

Sistema Q

Sistema Q ¿Por qué razón fue creado?

Hoek, 2007, Barton and Grimstad, 2014

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31

Sistema Q Definición

Parámetros:

RQD J r J w Q J n J a SRF

RQD: Rock Quality Designation Jn: Número de sistemas de discontinuidades Jr: Número de rugosidad de discontinuidades

Ja: Número de alteración de discontinuidades Jw: Agua en discontinuidades SRF: Factor de reducción por esfuerzos

Q

Excepcionalmente malo

0,001 – 0,01

Extremadamente malo

0,01 – 0,1

Muy malo

0,1 – 1

Malo

1–4

Regular

4 – 10

Bueno

10 – 40

Muy bueno

40 – 100

Extremadamente bueno

100 – 400

Excepcionalmente bueno

400 – 1000

Universidad de Chile

Barton and Grimstad, 2014

Descripción del macizo

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32

Sistema Q Versión 1974 – RQD

Caso

Rock Quality Designation

RQD

A

Muy mala calidad

0 – 25

B

Mala calidad

25 – 50

C

Calidad regular

50 – 75

D

Buena calidad

75 – 90

E

Excelente calidad

90 – 100

i) ii)

Universidad de Chile

Si RQD≤10 usar RQD = 10 para evaluar Q Usar RQD en intervalos de 5 puntos

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33

Sistema Q Versión 1974 – Joint Set Number Caso

Número de sistemas de discontinuidades

Jn

A B C D E F G H I

Macizo rocoso masivo, sin o con pocas estructuras Macizo rocoso con 1 set 1 set + estructuras aleatorias Macizo rocoso con 2 sets 2 sets + estructuras aleatorias Macizo rocoso con 3 sets 3 sets + estructuras aleatorias Macizo rocoso con 4 o más sets Macizo rocoso totalmente desintegrado

0,5 – 1 2 3 4 6 9 12 15 20

i) ii)

Para intersecciones usar 3Jn Para portales usar 2Jn

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NGI, 2013

Este parámetro debe considerar sistemas de discontinuidades que se encuentren fuertemente desarrollados y que estén afectados por foliación, esquistocidad, planos de clivaje o estratificaciones. Sin embargo, si hay pocas discontinuidades visibles o si sólo se encuentran quiebres ocasionales en el testigo del sondaje debido a esas fracturas, será más apropiado contarlas como discontinuidades aleatorias.

34

Sistema Q Versión 1974 – Comentarios tamaño del bloque promedio

RQD Jn

: tamaño del bloque promedio

•

Es subjetivo

•

Si un macizo rocoso tiene mas de 4 sets de discontinuidades ampliamente espaciadas será incorrecto decir que esta altamente fracturado

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35

Sistema Q Versión 1974 – Joint Roughness Number Caso Número de rugosidad de discontinuidades Jr (a) Hay contacto entre las cajas de la estructura y (b) desplazamiento de corte menores que 10 cm producen contacto entre las cajas de la estructura A Juntas discontinuas 4 B Rugosas y onduladas 3 C 2 Suaves y onduladas D 1,5 Pulidas y onduladas E Rugosas y planas 1,5 F 1 Suaves y planas G 0,5 Pulidas y planas (c) Los desplazamientos de corte no producen contacto entre las cajas de la estructura

Estructuras con rellenos de arcilla

1

I

Estructuras con rellenos de arena, grava o roca desintegrada

1

Rugosas Suaves Pulidas

Planas Rugosas Suaves

NGI, 2013

H

Onduladas

Pulidas

i) Añadir 1 si el espaciamiento medio del sistema relevante es mayor a 3 m ii) Jr = 0,5 puede ser utilizado para estructuras planas y pulidas con lineamientos, siempre que los lineamientos están orientados en la dirección de resistencia mínima Universidad de Chile

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36

Sistema Q Versión 1974 – Joint Alteration Number Caso

Número de alteración de discontinuidades

ϕjres (°)

Ja

---

0,75

(a) Hay contacto entre las cajas de la estructura

A

Estructuras bien trabadas y selladas con rellenos duros, impermeables, y que no se ablandan (e.g. cuarzo epidota, etc.)

B

Estructuras con cajas no alteradas, que solo presentan patinas locales

25-35

1

C

Estructuras con cajas ligeramente alteradas. Pátinas de materiales que no se ablandan y libres de finos: arenas, roca molida, etc.

25-30

2

D

Estructuras con pátinas limo arenosas, con poco contenido de arcillas, que no se ablandan

20-25

3

E

Estructuras con pátinas de minerales arcillosos de baja fricción y que se ablandan (e.g. caolinita, micas, etc), con pátinas de clorita, talco, yeso, grafito, etc. o con pequeñas cantidades de arcillas expansivas (pátinas discontinuas, de 1 a 2 mm de potencia)

8-16

4

25-30

4

16-24

6

12-16

8

6-12

8-12

6-24

6, 8 o 8-12

---

5

6-24

10, 13 o 13-20

(b) Desplazamiento de corte menores que 10 cm producen contacto entre las cajas de la estructura F Estructuras con rellenos de arenas y/o roca molida, libres de arcilla Estructuras con rellenos de arcillas muy pre-consolidadas, que no se ablandan (rellenos continuos, con G espesores < 5 mm) Estructuras con rellenos de arcillas algo a poco pre-consolidadas, que se ablandan (rellenos continuos, H con espesores < 5 mm) Estructuras con rellenos de arcillas expansivas (e.g. montmorillonita, rellenos continuos, espesores < 5 J mm). (c) Los desplazamientos de corte no producen contacto entre las cajas de la estructura Estructuras con rellenos de roca desintegrada o triturada y arcillas (ver G, H, J para descripciones del K, L, M material arcilloso) Estructuras con rellenos potentes de arenas limosas o limo-arcillosas, con poco contenido de arcillas N (que no se ablandan) Estructuras con rellenos potentes de salbanda arcillosa (ver G, H, J para descripciones del material O, P, R arcilloso) Universidad de Chile

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37

Sistema Q Versión 1974 – Comentarios resistencia al corte entre bloque

Jr Ja •

: medida del ángulo de fricción entre bloques

Estos parámetros pueden ser usados para estimar la resistencia al corte usando la siguiente ecuación: 𝜏 = 𝜎𝑛 tan−1

𝐽𝑟 𝐽𝑎

•

Ambos parámetros deberían ser relevantes en sistemas de discontinuidades débiles o con rellenos de arcilla. Sin embargo, si el sistema de discontinuidades con el mínimo valor de Jr/Ja está favorablemente orientado en relación a la estabilidad, entonces una segunda discontinuidad o sistema de discontinuidades con una orientación menos favorable puede a veces ser más significativo, y el mayor valor de Jr/Ja puede ser usado cuando se evalúe el Q. El valor de Jr/Ja debe, en efecto, relacionarse con a la superficie más probable que permita iniciar la falla.

•

Los puntajes asociados a estos parámetros y sus consideraciones se consideran objetivas, y son la mayor ventaja que tiene el sistema Q por sobre el RMR.

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38

Sistema Q Versión 1974 – Ejemplo

Jr Ja

: resistencia al corte de los bloques

Barton, 2002

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39

Sistema Q Versión 1974 – Water Reduction Factor Caso

i. ii.

Condición de agua en discontinuidades

A

Túneles secos o con infiltraciones menores (e.g. 5 lt/min localmente o en algunos sectores)

B

Infiltraciones y presiones moderadas, que ocasionalmente causan el lavado del relleno de las estructuras

C

Infiltraciones y presiones importantes en roca competente con estructuras sin relleno

D

Infiltraciones y presiones importantes que causan lavado de los rellenos de las estructuras

E

Infiltraciones muy importantes y a presión gatilladas por las tronaduras, pero decaen con el tiempo

F

Infiltraciones excepcionalmente altas con presiones que continúan sin decaer con el tiempo

Presión de agua (MPa)

Jw

< 0,1

1

0,1-0,25

0,66 0,50

0,25-10,0 0,33 0,1-0,2 > 10,0 0,05-0,1

Los casos C a F corresponden a estimaciones muy aproximadas. Se puede incrementar Jw si se implementan medidas de drenaje Problemas especiales asociados al congelamiento de las aguas y la formación de hielo no se consideran

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40

Sistema Q Versión 1974 – Stress Reduction Factor (a) Zonas débiles interceptan la posición que tendrá la excavación subterránea, lo que puede causar aflojamiento (loosening) del terreno cuando se desarrolle la excavación subterránea Caso

Factor de reducción de esfuerzos

SRF

A

Múltiples zonas débiles que contienen arcillas y/o roca químicamente desintegrada, con roca suelta en su periferia (a cualquier profundidad

10,0

B

Múltiples zonas débiles, con roca suelta en su periferia, en un macizo rocoso competente y libre de arcilla (a cualquier profundidad)

7,5

C

Macizo rocoso muy fracturado, con estructuras abiertas que definen bloques en forma de cubos (a cualquier profundidad)

5,0

D, E

Una zona débil que contienen arcillas y/o roca químicamente desintegrada, con roca suelta en su periferia

Profundidad ≤ 50 m Profundidad > 50 m

5,0 2,5

F, G

Una zona débil, con roca suelta en su periferia, en un macizo rocoso competente y libre de arcilla

Profundidad ≤ 50 m Profundidad > 50 m

5,0 2,5

Los valores de SRF deben reducirse en un 25% a 50% si las zonas de cizalle relevantes solo influencian el túnel, pero no lo intersectan. Universidad de Chile

Palmstrom et al, 2006 Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

41

Sistema Q Versión 1974 – Stress Reduction Factor (b) Macizos rocosos competentes, problemas asociados a concentraciones de esfuerzos Caso H I J

L

M i.

Factor de reducción de esfuerzos Estado de esfuerzos de magnitud baja, estructuras superficiales abiertas Estado de esfuerzos moderados, condición de esfuerzos favorable Estado de esfuerzos de magnitud alta, estructuras bien trabadas (usualmente favorable para la estabilidad, aunque puede presentar problemas en las cajas) Macizo rocoso que presenta lajamientos e incluso estallidos de roca poco después del desarrollo de la excavación subterránea Macizos rocosos que sufren notorios estallidos de roca y deformaciones inmediatas después del desarrollo de la excavación subterránea

UCS/σ1

σt/σ1

SRF

> 200

> 13

2,5

200 – 10

13 – 0,66

1,0

10 – 5

0,66 – 0,33

0,5 – 2

5 – 2,5

0,33 – 0,16

5 – 10

< 2,5

< 0,16

10 – 20

La base de datos del método incluye pocos casos en que la profundidad del techo del túnel respecto a la superficie del terreno es menor que el ancho del túnel. Si este es el caso, entonces SRF debe incrementarse de 2,5 a 5 (ver H)

Universidad de Chile

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42

Sistema Q Versión 1974 – Stress Reduction Factor (b) Macizos rocosos competentes, problemas asociados a concentraciones de esfuerzos Hutchinson and Diederichs , 1996

•

σc/σ1 bajo: fracturamiento por esfuerzos altos: SRF ↑ → Q↓

•

σc/σ1 medio: bloques quedan ajustados: SRF ↓ → Q ↑

•

σc/σ1 alto: bloques quedan sueltos conllevando a inestabilidades: SRF ↑ → Q↓

Si el estado de esfuerzos in-situ es muy anisótropo, entonces para evaluar SRF utilizar el siguiente UCS reducido (UCS: resistencia a la compresión uniaxial roca intacta; σt: resistencia a la tracción, σ1, σ3: esfuerzos in-situ principales mayor y menor, y σq: máximo esfuerzo tangencial en el contorno de la excavación estimado mediante la teoría de elasticidad): •

Si 5 ≤ σ1/σ3 ≤ 10: reducir UCS a 0,8UCS y σt a 0,8σt

•

Si σ1/σ3 > 10: reducir UCS a 0,6UCS y σt a 0,6σt

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43

Sistema Q Versión 1974 – Stress Reduction Factor (c) Macizos rocosos que fluyen plásticamente (squeezing rock) Caso

Factor de reducción de esfuerzos

O

El flujo plástico genera presiones leve a moderadas

P

El flujo plástico genera presiones importantes

i.

UCS/σ1

SRF

1–5

5 – 10

>5

10 – 20

Para determinar las condiciones de un macizo que fluye plásticamente se debe revisar la literatura al respecto: Singh et al. 1992 y Basin and Grimstad, 1996

(d) Macizos rocosos expansivo (swelling rock), expansión o hinchamiento debido a reacciones químicas causadas por la presencia de agua Caso

Factor de reducción de esfuerzos

SRF

R

El hinchamiento genera presiones leves a moderadas

5 – 10

S

El hinchamiento genera presiones importantes

10 – 15

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44

Sistema Q Versión 1974 – Comentarios esfuerzos activos

Jw SRF

: medida del ángulo de fricción entre bloques

Particularmente se debe considerar: • El parámetro SRF es redundante cuando el sistema de calificación Q se utiliza para estimar propiedades del macizo rocoso para el análisis de estabilidad (analíticos o numéricos) • En ambientes con altas presiones de agua el análisis de estabilidad debería incluir los efectos de presiones de agua y flujo por lo que el parámetro Jw se debe considerar igual a uno (excavaciones relativamente secas, sin considerar el flujo transiente de perforación y relleno). Una alternativa es usar:

RQD J r Q'  Jn Ja Universidad de Chile

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45

Sistema Q Versión 1974 – Calibración

Primera versión: 212 casos

Barton et al., 1974 Barton, 1988

Depende del tipo de excavación y del uso que se le quiera dar Universidad de Chile

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46

Sistema Q Versión 1993 – Actualización de SRF Condición

• • •

σq/UCS

SRF (nuevo)

> 200

< 0,01

2,5

200 – 10

0,01 – 0,3

1

10 – 5

0,3 – 0,4

0,5 – 2

5–3

0,5 – 0,65

5 – 50

3–2

0,65 - 1,0

50 – 200

<2

>1

200 - 400

UCS: resistencia a la compresión uniaxial roca intacta; σ1, σ3: esfuerzos in-situ principales mayor y menor, y σq: máximo esfuerzo tangencial en el contorno de la excavación estimado mediante la teoría de elasticidad

Esta actualización se relaciona a efectos observados en excavaciones ubicadas en ambientes de altos esfuerzos que se encuentran en situaciones de críticas de requerimiento de soporte. Sin embargo, en minas profundas con un número significativo de discontinuidades se deben utilizar los valores originales de SRF. Universidad de Chile

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

47

Grimstad and Barton, 1993

Estado de esfuerzos de magnitud baja, estructuras superficiales abiertas Estado de esfuerzos moderados, condición de esfuerzos favorable Estado de esfuerzos de magnitud alta, estructuras bien trabadas (usualmente favorable para la estabilidad, aunque puede presentar problemas en las cajas) Macizo rocoso que presenta lajamientos moderados 1 hora después del desarrollo de la excavación subterránea Macizo rocoso que presenta lajamientos e incluso estallidos de roca poco después del desarrollo de la excavación subterránea Macizos rocosos que sufren notorios estallidos de roca y deformaciones inmediatas después del desarrollo de la excavación subterránea

UCS/σ1

Sistema Q Versión 1993 – Actualización del gráfico para estimar soporte

Grimstad and Barton, 1993

Universidad de Chile

•

Actualizado para representar nuevas técnicas de soporte (NMT) con 1050 nuevos casos de túneles construidos en los 10 años previos a su publicación

•

La menor dimensión de una excavación para la cual se estimó soporte fue 2 – 3 m

•

Por otro lado, esta herramienta empírica no debería ser utilizada para techos o paredes de cavernas de mas de 40 m

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

48

Sistema Q Consideración final

Los parámetros presentados anteriormente representan la estabilidad del macizo rocoso para estimar la estabilidad de túneles y deben ser reevaluados para ser aplicados a otros problemas (Barton et al. 1974).

Universidad de Chile

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

49

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Macizo rocoso

Rock Mass Rating (RMR)

Rock Mass Rating (RMR) Definición RMRBbásico  PUCS  PRQD   PS   PJ C   PJ W  Parámetros: UCS: Resistencia uniaxial roca intacta

RQD: Rock Quality Designation S: Espaciamiento de discontinuidades

Descripción

RMR

Roca muy buena

81 – 100

Roca buena

61 – 80

Roca regular

41 – 60

Roca mala

21 – 40

Roca muy mala

0 – 21

Jc: Condición de discontinuidades

Jw: Agua

Supuestos: • Los ratings fueron asignados a macizos rocosos con más de tres sets de discontinuidades, es decir, evaluar un macizo rocoso con 2 sets resultará en un valor conservador. • Si ningún set controla la estabilidad de la excavación, se debe utilizar la condición promedio y no la más desfavorable dado que el sistema considera un factor de seguridad en su construcción. En el caso de que un set controle la estabilidad de la excavación se debe utilizar el set de discontinuidades más desfavorable. Universidad de Chile

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51

Rock Mass Rating (RMR) Datos usados

•

1973: 49 casos (Sudafrica, Europa, Estados Unidos y Canadá)

•

1984: 141 casos (se incluyen 62 casos de minas de carbón en Estados Unidos)

•

1987: 218 casos (se incluyen 78 casos de minas y túneles)

•

1989: 351 casos (la base de datos esta representada en su mayoría por excavaciones civiles en rocas sedimentaria ubicadas a bajas profundades). Tipo de roca

Universidad de Chile

Ignea 0 18 29 19 66

Metamorfica 0 10 32 19 61

Sedimentaria 101 6 86 30 223

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Total general 101 34 147 68 350

Bieniawski, 1989

Tipo de excavación Minas de carbón Otros tipos de mina Túneles Otros tipos de excavación Total general

52

Rock Mass Rating (RMR) Versión 1976 A. Parámetros de calificación y puntajes Parámetro

1

Rango de valores y puntajes Índice de resistencia de carga puntual Resistencia a la compresión uniaxial

2-4

1–2

> 200

100 - 200

50 - 100

25 - 50

10–25

3–10

1–3

15

12

7

4

2

1

0

90 - 100

75 - 90

50 - 75

25 - 50

< 25

Puntaje

20

17

13

8

3

Espaciamiento de discontinuidades

> 3 (m)

1 – 3 (m)

0,3 – 1 (m)

0,05 – 0,3 (m)

< 0,05 (m)

Puntaje

30

25

20

10

5

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Paredes altamente meteorizadas

•Superficies lisas, o •Relleno <5mm, o •Separación 1-5 mm y continuas

•Relleno blando >5mm de espesor, o •Juntas abiertas y continuas

12

6

0

Nulo

< 25

25 - 125

> 125

0

0 – 0,2

0,2 – 0,5

> 0,5

Completamente seco

Húmedo

10

7

Agua bajo una presión moderada 4

Severos problemas de agua 0

Resistencia de la roca intacta (MPa)

3

4

5

Calidad del testigo, RQD (%)

Condición de discontinuidades

Presencia de agua

Puntaje Caudal de filtración por 10 m de túnel (lt/min) (Presión de agua en juntas)/Esfuerzo principal mayor, s1) Estado general Puntaje

Universidad de Chile

•Superficies muy rugosas •No continuas •Sin separación •Roca pared no meteorizadas

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Roca pared

25

20

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Bieniawski, 1976

4–8

Puntaje

2

Para este rango bajo se prefiere el ensayo de compresión uniaxial

>8

53

Rock Mass Rating (RMR) Versión 1976 B. Ajuste por orientación de las discontinuidades P(JO) Aplicación/Condición

Muy favorable

Favorable

Moderado

Desfavorable

Muy desfavorable

Túneles y minas

0

-2

-5

-10

-12

Fundaciones

0

-2

-7

-15

-25

Taludes

0

-5

-25

-50

-60

C. Calificación del macizo rocoso determinado desde el puntaje total Puntaje

80 ← 61

60 ← 41

40 ← 21

< 21

Calificación

I

II

III

IV

V

Descripción

Roca muy buena

Roca buena

Roca regular

Roca mala

Roca muy mala

I

II

III

IV

V

10 años / 5m

6 meses / 4 m

1 semana / 3 m

5 hrs / 1,5m

10 min / 0,5m

Cohesión del macizo rocoso (kPa)

> 300

200-300

150-200

100-150

< 100

Ángulo de fricción macizo rocoso (°)

> 45

40-45

35-40

30-35

< 35

D. Significado de la clase de roca Calificación Tiempo estable promedio/ancho excavación

Universidad de Chile

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

54

Bieniawski, 1976

100 ← 81

Rock Mass Rating (RMR) Ajuste por orientación de las discontinuidades para túneles

Rumbo discontinuidad con respecto al eje de la excavación Paralelo

Universidad de Chile

Avance con Dip

Avance contra Dip

Cualquier rumbo

45 - 90

Muy desfavorable

Muy favorable

Moderado

n/a

20 - 45

Moderado

Favorable

Desfavorable

n/a

0 - 20

Moderado

Moderado

Moderado

Moderado

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Hutchinson and Diederichs , 1996

Dip (grados)

Perpendicular

55

Rock Mass Rating (RMR) Nuevas versiones





En 1979 se introdujeron cambios en los rangos de los parámetros, siguiendo las recomendaciones del ISRM (1978), y consecuentemente se actualizaron los ratings. En 1989 se introdujeron nuevas especificaciones para describir la condición de las discontinuidades.

Universidad de Chile

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56

Rock Mass Rating (RMR) Versión 1989 A. Parámetros de calificación y puntajes Parámetro

1

Rango de valores y puntajes Índice de resistencia de carga puntual Resistencia a la compresión uniaxial

4 – 10

2-4

1-2

> 250

100 - 250

50 - 100

25 - 50

5 - 25

1-5

<1

15

12

7

4

2

1

0

90 - 100

75 - 90

50 - 75

25 - 50

< 25

Puntaje

20

17

13

8

3

Espaciamiento de discontinuidades

> 2 (m)

0,6 – 2 (m)

0,2 – 0,6 (m)

0,06 – 0,2 (m)

< 0,06 (m)

Puntaje

20

15

10

8

5

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Roca pared baja competencia

•Superficies lisas, o •Relleno <5mm, o •Separación 1-5 mm y continuas

20

10

0

Resistencia de la roca intacta (MPa)

Puntaje

2 3

4

Calidad del testigo, RQD (%)

Condición de discontinuidades (Ver E)

Puntaje

Presencia de agua

Caudal de filtración por 10 m de túnel (lt/min) (Presión de agua en juntas)/Esfuerzo principal mayor, s1) Estado general Puntaje

Universidad de Chile

•Superficies muy rugosas •No continuas •Sin separación •Roca pared competente 30

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Roca pared competente 25

•Relleno blando >5mm de espesor, o •Juntas abiertas y continuas

Nulo

< 10

10 – 25

25 - 125

> 125

0

< 0,1

0,1 – 0,2

0,2 – 0,5

> 0,5

Húmedo

Goteado

Flujo

7

4

0

Seco 15

Ligeramente húmedo 10

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Bieniawski, 1989

5

Para este rango bajo se prefiere el ensayo de compresión uniaxial

> 10

57

Rock Mass Rating (RMR) B. Ajuste por orientación de las discontinuidades P(JO) Aplicación/Condición

Muy favorable

Favorable

Moderado

Desfavorable

Muy desfavorable

Túneles y minas

0

-2

-5

-10

-12

Fundaciones

0

-2

-7

-15

-25

Taludes

0

-5

-25

-50

-60

C. Calificación del macizo rocoso determinado desde el puntaje total Puntaje

100 ← 81

80 ← 61

60 ← 41

40 ← 21

< 21

Calificación

I

II

III

IV

V

Descripción

Roca muy buena

Roca buena

Roca regular

Roca mala

Roca muy mala

I

II

III

IV

V

20 años / 15m

1 año / 10m

1 semana / 5m

10hrs / 2,5m

30 min / 1m

Cohesión del macizo rocoso (kPa)

> 400

300-400

200-300

100-200

< 100

Ángulo de fricción macizo rocoso (°)

> 45

35-45

25-35

15-25

< 15

D. Significado de la clase de roca Calificación Tiempo estable promedio/ancho excavación

E. Guías para la calificación de discontinuidades Persistencia (m) Puntaje

Rugosidad Puntaje Relleno Puntaje Alteración Universidad de Chile Puntaje

1-3 4

3 - 10 2

10 - 20 1

> 20 0

Ninguna 6

0,1 5

0,1 – 1,0 4

1-5 1

>5 0

Muy rugosa 6

Rugosa 5

Mod. rugosa 3

Lisa 1

Muy lisa 0

Ninguno 6

Duro < 5 mm 4

Duro > 5 mm 2

Blando < 5 mm 2

Blando > 5 mm 0

Alta alteración 1

Descompuesto 58 0

Sin alteración 6

Lev.en alterado Mod.al alterado Diploma Geomecánica Aplicada Diseño Minero Módulo 5 1: Fundamentos de Mecánica3 de Rocas

Bieniawski, 1989

Apertura (mm) Puntaje

<1 6

Rock Mass Rating (RMR) E. Guías para la calificación de discontinuidades

Bieniawski, 1989

Universidad de Chile

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59

Rock Mass Rating (RMR) Tiempo útil de excavación

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

After Bieniawski, 1989

After Bieniawski, 1973

Universidad de Chile

60

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Macizo rocoso

Correlaciones entre sistemas de clasificación

Resumen Correlaciones entre sistemas de clasificación

Modified from Barton, 1995

Bieniawski, 1976 Palmstrom, 2009

Universidad de Chile

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62

Resumen Correlaciones entre sistemas de clasificación

¿Que tan correcto es usar estas aproximaciones ? Correlación

R2

RMR a partir de Q 𝑸 = 𝟏𝟎. 𝟔

Q a partir de RMR 𝑹𝑴𝑹 = 𝟒𝟗

A. Bieniawski (1984)

𝑅𝑀𝑅 = 9 ln 𝑄 + 44

0.77

65

1.7

B. Rutledge et al. (1978)

𝑅𝑀𝑅 = 5.9 ln 𝑄 + 43

0.81

57

2.76

C. Moreno (1980)

𝑅𝑀𝑅 = 5.4 ln 𝑄 + 55.2

0.55

67.9

0.31

D. Cameron et al. (1981)

𝑅𝑀𝑅 = 5 ln 𝑄 + 60.8

72.6

1.98

E. Abad (1984)

𝑅𝑀𝑅 = 10.5 ln 𝑄 + 41.8

66.5

1.98

0.66

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Goel, 1996

Universidad de Chile

Autor

63

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Macizo rocoso

Mining Rock Mass Rating (MRMR)

Mining Rock Mass Rating (MRMR) ¿Por qué fue creado?

Laubscher (1976) fue el primero en adaptar el RMR de Bieniawski para aplicaciones mineras basándose en su experiencia en minas de asbestos operadas por block caving en Sudáfrica. Al igual que el RMR, el MRMR se basa en el cálculo de un rating in-situ estimado a partir de la medición de parámetros geológicos (RMR), el cual es ajustado posteriormente a las condiciones mineras. Es decir: MRMR = RMR x ajustes Duplancic, 2001

En donde los ajustes pueden considerar: meteorización, esfuerzos inducidos, cambios de esfuerzos, orientación de las estructuras, efectos de tronadura y el efecto del agua Universidad de Chile

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65

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1976

Laubscher, 1976

Universidad de Chile

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66

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1976

Laubscher, 1976

Universidad de Chile

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67

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1976   

Esta versión reemplaza el termino UCS por IRS (Intact Rock Strength) en comparación con el RMR de Bieniawski Las ponderaciones fueron revisadas considerando no sólo minas en Sudáfrica sino que también otras minas operadas por block caving. Los ajustes considerados en la primera versión son:

Laubscher, 1976

Universidad de Chile

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68

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1976

Laubscher (1981) inicialmente usó el RMR para evaluar la hundibilidad de un macizo rocoso:

Universidad de Chile

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Laubscher, 1976

Posteriormente, propuso el gráfico de hundibilidad.

69

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1990

La versión de MRMR del 1990 es la más utilizada, principalmente porque existen 3 versiones del gráfico de hundibilidad que la usan para estimar la calidad del macizo rocoso:

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Brown, 2002

Laubscher, 1994

Laubscher, 1990

Universidad de Chile

70

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 1990

Incluye dos opciones para evaluar el espaciamiento de las discontinuidades:  Medir el RQD y el espaciamiento de las discontinuidades (Js), o  Medir la frecuencia de fracturas por metro (FF/m).

Meteorización

Orientación

Esfuerzos inducidos

Parámetros: Tronadura

IRS: Intact Rock Strength RQD: Rock Quality Designation JS: Espaciamiento de discontinuidades JC: Condición de discontinuidades

Ajustes

Presentación Comunicación

Estructuras mayores

MRMR  AM  AO  AS  AT  RMRL DRMS  AM  AO  AS  AT  RMS (MPa)

Diseño básico

RMS: Rock Mass Strength DRMS: Design Rock Mass Strength Universidad de Chile

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Descripción del macizo

MRMR

Muy bueno (1)

81 – 100

Bueno (2)

61 – 80

Regular (3)

41 – 60

Malo (4)

21 – 40

Muy malo (5)

0 – 20 71

Mining Rock Mass Rating (MRMR) IRS: Intact Rock Strength

Se define como el promedio de la resistencia de la roca entre fracturas y juntas. Es importante notar que las muestras escogidas para ser ensayadas son normalmente las mas resistentes y no necesariamente reflejan valores promedio.

Ejemplo: IRS Roca competente = 100 MPa IRS Roca débil = 20 MPa  IRS como porcentaje de la roca mas competente = 20/100 = 20% Porcentaje de roca no competente = 45% IRS promedio= 37% de 100 MPa = 37 MPa

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IRS (MPa)

Rating

>185

20

165 – 185

18

145 – 164

16

125 – 144

14

105 – 124

12

85 – 104

10

65 – 84

8

45 – 64

6

35 – 44

5

25 – 34

4

12 – 24

3

5 – 11

2

1–4

1 72

Mining Rock Mass Rating (MRMR) RQD

Rating

97 – 100

15

84 – 96

14

71 – 83

12

56 – 70

10

44 – 55

8

31 – 43

6

17 – 30

4

4 – 16

2

0–3

0

Para estimar el rating Js se debe considerar un macizo rocoso con a lo mas 3 sets de discontinuidades: Porcentaje del total posible del rating de 25

RQD + JS: Joint spacing

Ejemplo: 1 set de espaciamiento 0,5 m  22 (A) 2 sets de espaciamiento 0,5 y 1 m  17 (B + C) 3 sets de espaciamiento 0,5, 1 y 3 m  14 (D+E+F)

Espaciamiento (m)

Se define: 𝑆𝑚𝑖𝑛 : espaciamiento mínimo [cm], 𝑆𝑚𝑒𝑑 : espaciamiento medio [cm] y 𝑆𝑚𝑎𝑥 : espaciamiento máximo [cm] 26,4×log10 𝑆 +45 100 25,9×log10 𝑆𝑚𝑖𝑛 +38 30×log10 𝑆𝑚𝑎𝑥 +28 × × 100 100 25,9×log10 𝑆𝑚𝑖𝑛 +30 29,4×log10 𝑆𝑚𝑒𝑑 +20 × × 100 100

1 set: 𝑃(𝐽𝑠 ) = 25 × 2 sets: 𝑃(𝐽𝑠 ) = 25

3 sets: 𝑃(𝐽𝑠 ) = 25 Universidad de Chile

×

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

33,3×log10 𝑆𝑚𝑎𝑥 +10 100 73

Mining Rock Mass Rating (MRMR) FF/m 1) Medición en línea de muestreo: Se pueden tener las siguientes situaciones que se resuelven al dividir la suma de los FF/m por los factores de la tabla: 1) Si todas las discontinuidades se observan en la pared se debe definir si intersectaron la línea de muestreo 2) Si no intersectan la línea de muestreo se debe considerar otra línea de muestreo en una dirección perpendicular a la primera 3) Si existe un set paralelo a la pared luego debe considerarse otra línea de muestreo en una pared perpendicular Procedimiento de muestreo

Promedio (1/m)

Factor

(a) 1/3 sets se observan en la línea, o sólo 1 set

1,0

(b) 2/3 sets se observan en la línea, o sólo 2 sets

1,5

(c) Todos los sets se observan en la línea o en los testigos

2,0

(d) 2 sets se observan en la línea y otro set en otra línea

2,4

(e) Todos los sets se observan en líneas distintas

3,0

2) Medición en testigos: El FF/m debe incrementarse si hay perdida de material (puede ocurrir en las partes mas débiles de la muestra). Universidad de Chile

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0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,5 0,8 1,0 1,5 2 3 5 7 10 15 20 30 40

Ratings 1 set

2 sets

3 sets

40 40 40 40 38 36 34 31 29 26 24 21 18 15 12 10 7 5

40 40 40 38 36 34 31 28 26 24 21 18 15 12 10 7 5 2

40 40 38 36 34 31 28 26 24 21 18 15 12 10 7 5 2 0 74

Mining Rock Mass Rating (MRMR) JC: Joint condition Condición de humedad Parámetros

Descripción

Condición seca

Húmedo

Presión moderada 25-125 l/min

Presión severa > 125 l/min

A. Expresión de discontinuidades (Irregularidad a gran escala)

Ondulosa multidireccional Ondulosa unidireccional Curva Suavemente ondulada Lisa

100 95 85 80 75

100 90 80 75 70

95 85 75 70 65

90 80 70 65 60

B. Expresión de discontinuidades (Irregularidad a pequeña escala 200mm x 200mm)

Irregular áspero Escalonado suave Escalonado pulido Ondulada rugoso Ondulada suave Ondulado pulido Planar rugoso Planar suave Pulido

95 90 85 80 75 70 65 60 55

90 85 80 75 70 65 60 55 50

85 80 75 70 65 60 55 50 45

80 75 70 65 60 55 50 45 40

75

70

65

60

C. Si las paredes de las juntas son más débiles que la caja y solo si son más débiles que el relleno

D. Relleno de fracturas

Material cizallado y no reblandecido

Grano grueso Grano medio Grano fino

90 85 80

85 80 75

80 75 70

75 70 65

Material cizallado reblandecido

Grano grueso Grano medio Grano fino

70 60 50

65 55 45

60 50 40

55 45 35

Espesor < amp.de irregularidad

45

40

35

30

Espesor > amp.de irregularidad

30

20

15

10

Universidad de Chile

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

75

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Ajuste por meteorización •

La meteorización afecta al RQD o FF/m, a la condición de las estructuras y a la resistencia de los bloques de roca.

•

La aplicabilidad de este ajuste depende de si el macizo expuesto alcanzará a meteorización en el tiempo de exposición: Tiempo de meteorización

Grado de Meteorización

Universidad de Chile

6 meses

1 año

2 años

3 años

4 años

No hay meteorización

100 %

100 %

100 %

100 %

100 %

Meteorización Leve

88 %

90 %

92 %

94 %

96 %

Meteorización Moderada

82 %

84 %

86 %

88 %

90 %

Meteorización Intensa

70 %

72 %

74 %

76 %

78 %

Meteorización Total

54 %

56 %

58 %

60 %

62 %

Transformación en Suelo Residual

30 %

32 %

34 %

36 %

38 %

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76

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Ajuste por orientación de las estructuras 1.

2.

Número de discontinuidades definiendo un bloque

70%

75%

80%

85%

90%

3

3

-

2

-

-

Ajustes a zonas de corte: En el caso de que las galerías de la mina subterránea sean intersectadas por zonas de cizalle, deberá considerarse un ajuste en función del ángulo de intersección (no se aplica a roca con discontinuidades).

4

4

3

-

2

-

5

5

4

3

2

1

6

6

5

4

3

2, 1

Angulo 0º a 15º 16º a 45º 46º a 75º 3.

Número de caras del bloque inclinadas con respecto a la vertical

Ajustes a macizos rocosos con discontinuidades: Depende de la orientación de las estructuras con respecto a la vertical del bloque.

AO 76% 74% 72%

Ajustes por la dirección de avance: El desarrollo de galerías en la dirección del manteo es preferible a el avance en dirección opuesta. En este último caso deberá considerarse un ajuste de 90%

Universidad de Chile

Fuerza perturbadora (gravedad)

6 de 6 caras inclinadas

4 de 6 caras inclinadas

2 de 6 caras inclinadas

El máximo ajuste es orientación de discontinuidades por la dirección de avance = 70% x 90% = 63%

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77

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Ajuste por esfuerzos inducidos por la minería 

Esfuerzos compresivos de magnitud importante en la dirección normal al plano de las estructuras incrementarán la resistencia del macizo rocoso y disminuirán la hundibilidad de la roca → AS = 120%



La diferencia entre el esfuerzo principal máximo y mínimo tiene un efecto significativo en los macizos rocosos con discontinuidades, dado que ésta puede hacer que los bloques de roca fallen por corte a través de planos de debilidad. Este efecto aumenta a medida que la intensidad de las discontinuidades aumenta y a medida que la condición de discontinuidades empeora → AS = 60%

Una manera de evaluar este ajuste es por comparación de la condición del macizo rocoso en sectores “normales” y en sectores donde se tienen altas concentraciones de esfuerzos. Así, si en la condición “normal” el RMR es de 60, y en la condición de altos esfuerzos es de 40, entonces el factor de ajuste es igual a 40/60=67% Universidad de Chile

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78

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Ajuste por tronadura Tipo de Tronadura Excavación Mecánica, Sin Tronadura Tronaduras Controladas (smooth-wall blasting) Tronaduras Convencionales de Buena Calidad Tronaduras de Mala Calidad

Universidad de Chile

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AT 100% 97% 94% 80%

79

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Ajustes – Resumen 

La evaluación de los ajustes requiere experiencia y mucho criterio, particularmente el relacionado con los esfuerzos inducidos por la minería.



Los ajustes no deberían exceder las dos clases, en ese caso se debe hacer una reducción de un máximo del 50% del total del RMR.



Para estimar hundibilidad sólo deben considerarse los parámetros de orientación de las estructuras y esfuerzos inducidos. Parámetros Meteorización Orientación de las estructuras Esfuerzos inducidos Tronadura

Universidad de Chile

Posibles ajustes 30 – 100 % 63 – 100 % 60 – 120 % 80 – 100%

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80

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Resistencia del macizo rocoso (RMS)

El IRS se reduce al 80% de su valor 𝑅𝑀𝑆 = 0,8 × 𝐼𝑅𝑆 ×

𝑅𝑀𝑅 − 𝑃(𝐼𝑅𝑆) 80

𝑹𝑴𝑹 − 𝑷(𝑰𝑹𝑺) 𝑹𝑴𝑺 = 𝑰𝑹𝑺 × 𝟏𝟎𝟎

RMS < IRS

DRMS  AM  AO  AS  AT  RMS (MPa)

Universidad de Chile

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81

Mining Rock Mass Rating (MRMR) Versión 2000 



Sin embargo, se ha publicado sólo un gráfico de hundibilidad después de este método. Universidad de Chile

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Laubscher, 2000



Considera el rol de las fracturas, vetillas y juntas selladas, con lo cual caracteriza stockworks Considera el rol de los defectos al reemplazar la resistencia de la roca intacta por la resistencia de un bloque de roca con defectos Reconsidera el efecto del agua como un ajuste minero

82

Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

Macizo rocoso

Geological Strength Index (GSI)

Geological Strength Index (GSI) ¿Por qué razón fue creado?

La forma mas general del criterio de Hoek and Brown esta dada por la siguiente ecuación:  s  s 1  s 3  s c  m 3  s   sc 

a

sc

m, s, a

: resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta : constantes que dependen de las características del macizo rocoso

Con ensayos de laboratorio es posible ajustar los parámetros m, s y a. Pero, ¿qué pasa a escala de macizo rocoso? ¿Es posible desarrollar ensayos triaxiales o de corte directo en macizos rocosos en la escala apropiada para representar su comportamiento en un talud o en una excavación subterránea?

¿Alternativa?

Universidad de Chile

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84

Geological Strength Index (GSI) Primera versión Hoek and Brown (1980) propusieron que tanto el RMR como el Q fueran usados para estimar las constantes m y s, ya que incorporan las características del macizo rocoso que controlan su resistencia y deformación

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85

Geological Strength Index (GSI) Versión 1988

Las constantes m y s se estiman con las siguientes formulas:

mb e mi

 RMR100    28  

se

 RMR100    9  

a  0,5

RMR = 9 ln 𝑄 + 44 Utilizando estas formulas se construyó la tabla presentada a la derecha. Hoek and Brown, 1988

Sin embargo, esta metodología sólo es aceptable para RMR>25

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86

Geological Strength Index (GSI) Definición Debido a la limitación del RMR para escalar las propiedades del macizo rocoso, se introduce el GSI.

El GSI asigna rangos de valores al macizo rocoso a partir de un gráfico considerando la estructura del macizo rocoso y la condición de la superficie de las discontinuidades. Las constantes m, s y a son estimadas a partir del GSI siguiendo la siguiente formulación:  GSI 100   28 

 mb  e mi

se

 GSI 100    9  

Hoek, Kaiser & Bawden, 1995

Para GSI>25 (macizos rocosos no perturbados)

a  0,5

Para GSI<25 (macizos rocosos no perturbados)

s0 Universidad de Chile

a  0,65 

GSI 200

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87

Geological Strength Index (GSI) Versión 1998

Hoek and Brown, 1998

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88

Geological Strength Index (GSI) Versión 1999

Esta versión incluye dos categorias: Roca intacta o masiva: basado en brechas que se comportan casi como concreto de baja calidad en Chile

2.

Rocas foliadas o laminadas: basado en filitas de muy baja calidad encontradas en Venezuela y esquistos de baja calidad encontrados en Grecia.

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Hoek, 1999

1.

89

Geological Strength Index (GSI) Actualizaciones para otros tipos de macizo rocoso

Hoek and Karzulovic, 2000

Marinos and Hoek, 2001

Universidad de Chile

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90

Geological Strength Index (GSI) Actualizaciones para otros tipos de macizo rocoso

Marinos and Hoek, 2001

Universidad de Chile

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91

Geological Strength Index (GSI) Limitaciones – Daño por tronadura

Hoek, 2007

Comparación entre los resultados utilizando tronadura controlada (izquierda) y normal (derecha) para una excavación superficial en gneiss. El sector con menos daño debería usarse para estimar el GSI dado que el objetivo es determinar las propiedades de un macizo no perturbado. Universidad de Chile

Solución: Se incorpora el factor D que debe aplicarse sólo a las zonas con daño por tronadura. Aplicar este factor a todo el macizo rocoso es inapropiado y podría innecesariamente calificar al macizo rocoso con una menor calidad. Debe tenerse cuidado de no considerar dos veces el efecto de daño por tronadura al incluir el parámetro D en macizos rocosos dañados por tronadura y desconfinamiento.

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92

Geological Strength Index (GSI) Criterio de Hoek and Brown 2002

 s3   s1  s 3  s c  mb  s   sc 



D es un factor que depende del grado de perturbación al cual se ha sometido al macizo rocoso por tronadura y relajación de esfuerzos. D: 0 Macizos rocosos no perturbados D: 1 Macizos rocosos muy perturbados

Universidad de Chile

Excavación mecánica o manual en macizos de mala calidad geotécnica (sin tronadura), lo que resulta en una mínima perturbación del macizo rocoso en la periferia de la excavación subterránea.

Cuando ocurren problemas de flujo plástico (squeezing), con un levantamiento notorio del piso, la perturbación del macizo rocoso puede ser importante a menos que se coloque (al menos temporalmente) fortificación de piso como se muestra en la fotografía. Tronaduras de muy poca calidad en túneles en roca dura, lo que resulta en danos locales severos que pueden afectar el macizo rocoso en la periferia de la excavación subterránea en una zona de 2 a 3 m de espesor

Tronaduras pequeñas en taludes de obras civiles inducen poco daño en el macizo rocoso, especialmente si se usan tronaduras controladas para minimizar el daño, como se muestra en la fotografía. Sin embrago, siempre se produce algún grado de perturbación debido al desconfinamiento del macizo rocoso. Los taludes mineros en rajos profundos sufren daños importantes debido a las tronaduras de producción, como también al desconfinamiento asociado al desarrollo del rajo. En el caso de algunas rocas blandas la excavación puede hacerse sin tronaduras (e.g.: con bulldozer), lo que reduce significativamente el daño inducido en el macizo rocoso.

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D=0 D=0,5 Sin piso

D=0,8

D=0,7 Buena tronadura D=1,0 Mala tronadura

D=1,0 Tronadura de producción D=0,7 Tronadura mecánica

93

Hoek, Carranza-Torres and Corkum, 2002

   mb  2814D  s  e 93D e mi 1 1 a   eGSI 15  e20 3 2 6



D=0

a

 GSI 100   

 GSI 100 

Tronaduras controladas de excelente calidad o excavación con maquina tunelera (TBM), lo que resulta en una mínima perturbación del macizo rocoso en la periferia de la excavación subterránea

Geological Strength Index (GSI) ¿D?

Universidad de Chile

Hoek et al., 2000

D=

D= Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

94

Geological Strength Index (GSI) Criterio de Hoek and Brown 2002

 s3   s1  s 3  s c  mb  s   sc 

 GSI 100 

 GSI 100   

   mb  2814D  e s  e 93D mi 1 1 GSI 15 20 3 a  e e 2 6

a





1.0

5

mb/mi a s

0.9 4

0.8

80 60

40 20

0.7

mb/mi, a, s

GSI = 100

s 1/ s c

3

2

0.6 0.5 0.4 0.3

1

0.2

D = 0, mi = 10

0.1

0

0.0 -1

0

Universidad de Chile

1

2

s 3/ s c

3

4

5

0

20

40

60

80

100

GSI Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

95

Geological Strength Index (GSI) Limitaciones

• Tanto el criterio de falla de Hoek and Brown como el GSI consideran materiales isotrópicos y homogéneos. En otras palabras sólo deben usarse a escala de laboratorio o de macizo rocoso cuando este contiene una cantidad suficiente de discontinuidades ubicadas aleatoriamente.

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Hoek, 1988

• El GSI no es aplicable para macizos rocosos cuya estabilidad está controlada por estructuras o por gravedad

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96

Geological Strength Index (GSI) Versión 2013 – Cuantificación del GSI Hoek et al., 2013

𝑅𝑄𝐷 𝐺𝑆𝐼 = 1,5 ∙ 𝐽𝑐𝑜𝑛 89 + 2 Universidad de Chile

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97

Geological Strength Index (GSI) Jcond89 (Bieniawski, 1989) Condición de discontinuidades (Jcond89)

•Superficies muy rugosas •No continuas •Sin separación •Roca pared no meteorizadas

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Roca pared

•Superficie ligeramente rugosa •Separación <1mm •Paredes altamente meteorizadas

•Superficies lisas, o •Relleno <5mm, o •Separación 1-5 mm •Continuas

•Relleno blando >5mm de espesor, o •Juntas abiertas •Continuas

Puntaje

30

25

20

10

0

Persistencia (m) Puntaje

<1 6

1-3 4

3 - 10 2

10 - 20 1

> 20 0

Apertura (mm) Puntaje

Ninguna 6

0,1 5

0,1 – 1,0 4

1-5 1

>5 0

Rugosidad Puntaje

Muy rugosa 6

Rugosa 5

Moderadamente rugosa 3

Lisa 1

Muy lisa 0

Relleno Puntaje

Ninguno 6

Duro < 5 mm 4

Duro > 5 mm 2

Blando < 5 mm 2

Blando > 5 mm 0

Alteración Puntaje

Sin alteración 6

Levemente alterado 5

Moderadamente alterado 3

Alta alteración 1

Descompuesto 0

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98

Geological Strength Index (GSI) Alternativa para estimar Jcond89 : usar Jr y Ja (Barton et al. 1974)

𝐽𝑐𝑜𝑛 89 = 35

Número de rugosidad de discontinuidades

Jr

Juntas discontinuas

4

Rugosas y onduladas

3

𝐽𝑟 Τ𝐽𝑎 1 + 𝐽𝑟 Τ𝐽𝑎 Número de alteración de discontinuidades (a) Hay contacto entre las cajas de la estructura

Ja

Estructuras bien trabadas y selladas con rellenos duros, impermeables, y que no se ablandan (e.g. cuarzo epidota, etc.)

0,75

Estructuras con cajas no alteradas, que solo presentan patinas locales

1

2

1,5

Estructuras con cajas ligeramente alteradas. Pátinas de materiales que no se ablandan y libres de finos: arenas, roca molida, etc.

Rugosas y planas

1,5

Estructuras con pátinas limo arenosas, con poco contenido de arcillas, que no se ablandan

3

Suaves y planas

1

4

Pulidas y planas

0,5

Estructuras con pátinas de minerales arcillosos de baja fricción y que se ablandan (e.g. caolinita, micas, etc), con pátinas de clorita, talco, yeso, grafito, etc. o con pequeñas cantidades de arcillas expansivas (pátinas discontinuas, de 1 a 2 mm de potencia)

Suaves y onduladas Pulidas y onduladas

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2

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99

Geological Strength Index (GSI) Versión 2013 Comparación entre GSI mapeado y el GSI estimado con las metodologías propuestas

Hoek et al., 2013

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100

Geological Strength Index (GSI) Correlaciones entre sistemas de clasificación

Para el caso del RMR76 RMR76>18 GSI=RMR76 RMR76<18 No se puede utilizar el RMR76 para la obtención del GSI

Para el caso del RMR98 RMR89>23 GSI=RMR89 – 5 RMR89<23 No se puede utilizar el RMR89 para la obtención del GSI Se asumen condiciones secas

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101

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Macizo rocoso

Resumen

Resumen Sistemas de clasificación Parámetros Orientación de las discontinuidades Espaciamiento de las discontinuidades

Número de sets Persistencia de las discontinuidades Resistencia a la compresión uniaxial

Rugosidad de las discontinuidades Apertura de las discontinuidades Meteorización de las discontinuidades Relleno de las discontinuidades Esfuerzos in-situ

Q

RMR

MRMR

GSI

Barton et al. (1974): RQD, número de sistemas de discontinuidades (Jn), de rugosidad (Jr), de alteración (Ja), de flujo de agua (Jw) y factor de reducción de esfuerzos (SRF) Bieniawski (1989): UCS, RQD, espaciamiento de las discontinuidades, condición de las discontinuidades y condición de agua. Laubscher (1990): IRS, espaciamiento (Js) y condición de las discontinuidades (Jc). Ajustes: meteorización, esfuerzos inducidos, orientación de la excavación y tronadura

Condición de agua Daño por tronadura

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103

Resumen Criterios de falla

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104

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Macizo rocoso

Escalamiento de propiedades

Escalamiento de propiedades Resistencia a la compresión uniaxial Estimaciones basada en sistemas de clasificación:

Hoek, 2004

Hoek et al., 2013

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106

Escalamiento de propiedades Ejemplo: Ensayo a una muestra de gran escala (Stripa) Ensayo de una probeta de 1 m de diámetro y 2 m de largo

𝜎𝑐𝑚 = 7,4 𝑀𝑃𝑎

Edelbro, 2004

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107

Escalamiento de propiedades Ejemplo: Ensayo a una muestra de gran escala (Stripa)

Edelbro, 2004

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108

Escalamiento de propiedades Ejemplo: Pilar en la mina Laisvall en Suecia

Edelbro, 2004

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El esfuerzo promedio máximo en el pilar es 30 MPa estimado usando métodos numéricos La resistencia del pilar determinada por métodos empíricos es 19,8 ±1,4 MPa

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109

Escalamiento de propiedades Ejemplo: Pilar en la mina Laisvall en Suecia Estimación de la resistencia promedio del macizo rocoso como promedio de 11 estimaciones hechas por personas distintas

Edelbro, 2004

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110

Escalamiento de propiedades Módulo de deformación Palmstrom and Singh, 2001

• •

Bieniawski: 23 ensayos in-situ casos en 3 proyectos civiles en Sudáfrica Mediciones CSMRS: 42 ensayos in-situ en proyectos hidroeléctricos en India, Nepal y Bután

Hoek and Diederichs, 2006

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111

Escalamiento de propiedades

𝜎3𝑛

Universidad de Chile

Hoek et al. 2002

Barton , 2007

Donde

𝜎′3 = 𝜎𝑐𝑖

𝜎′3

: Límite superior en el cual ambos criterios son considerados

𝜎𝑐𝑖

: Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta Diploma en Geomecánica Aplicada al Diseño Minero Módulo 1: Fundamentos de Mecánica de Rocas

112

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Macizo rocoso

¿Comentarios? erosion.com.co

Próximas clases Geotecnia aplicada a minería del caving en Chile

Andrés Brzovic Hoy de 4 pm a 6 pm Trabajo en terreno

Kimie Suzuki / Sofía Rebolledo / Lorena Burgos Mañana 9 am a 1 pm

Universidad de Chile

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114

Trabajo en terreno Objetivos 1.

Caracterizar el macizo rocoso encontrado en Cerro Blanco.

2.

Mapear los suficientes lugares tal que se puedan obtener las características generales para poder identificar los dominios geotécnicos.

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115

Trabajo en terreno Instrucciones

Lugar de encuentro:

Horario de salida del bus: 9 am Punto de encuentro: Av. Tupper 2069

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116

Trabajo en terreno Instrucciones

Lugar de trabajo:

Entrada

Metro mas cercano Universidad de Chile

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117

Trabajo en terreno Instrucciones

Metodología: detallada en Guía de trabajo en terreno •

Etapa 1 Recopilar datos: o

Anotar los lugares que están siendo mapeados

o

Identificar distintos dominios geotécnicos

o

Utilizar celdas de mapeo en la roca expuesta y considerar al menos 50 mediciones de características de las estructuras: orientación (DipDir y Dip), condición de la superficie, continuidad, etc

Observar el modo de falla de las paredes Etapa 2 Clasificar preliminarmente el macizo rocoso (GSI, Q, RMR) o

•

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118

Trabajo en terreno Metodología de trabajo

Recopilar de datos:

2.

Clasificar preliminarmente el macizo rocoso

3.

Procesar de datos recopilados

4.

Clasificar del macizo rocoso

Trabajo en terreno

1.

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119

Referencias • Barton, N. 1988. Rock mass classification and tunnel reinforcement selection using the Q-system. In: Kirkaldie, L. (ed.) Symposium on Rock Classification Systems for Engineering Purposes, 1987. Cincinnati, United States. • Barton, N. 1995. The Influence Of Joint Properties In Modelling Jointed Rock Masses. 8th ISRM Congress. Tokyo, Japan: International Society for Rock Mechanics. • Barton, N. 2002. Some new Q-value correlations to assist in site characterisation and tunnel design. Int J Rock Mech Min Sci, 39, 185-216. • Barton, N. 2007. Future Directions For Rock Mass Classification And Characterization - Towards a Cross-disciplinary Approach. 1st Canada - U.S. Rock Mechanics Symposium. Vancouver, Canada: American Rock Mechanics Association. • Barton, N. & Grimstad, E. 2014. An illustrated guide to the Q-system following 40 years use in tunnelling [Online]. Available: www.nickbarton.com. • Barton, N., Lien, R. & Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6, 189-236. • Bieniawski, Z. T. 1973. Engineering Classification of Jointed Rock Masses. Trans S Afr Inst Civ Eng, 15, 335-344. • Bieniawski, Z. T. 1974. Geomechanics classification of rock masses and its application in tunneling. 3rd ISRM Congress. Denver, United States. • Bieniawski, Z. T. 1975. Case Studies: Prediction of Rock Mass Behaviour by the Geomechanics Classification. 2nd Australia-New Zealand Conference on Geomechanics. Brisbane, Australia: Institution of Engineers, Australia. • Bieniawski, Z. T. 1976. Rock Mass Classifications in Rock Engineering. In: Bieniawski, Z. T. (ed.) Symposium on Exploration For Rock Engineering. Johannesburg, South Africa: A.A. Balkema. • Bieniawski, Z. T. Determining rock mass deformability: experience from case histories. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, 1978. Elsevier, 237-247. • Bieniawski, Z. T. 1979. The Geomechanics Classification In Rock Engineering Applications. 4th ISRM Congress. Montreux, Switzerland: International Society for Rock Mechanics.

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