¿QUE ES UN MACIZO ROCOSO? Y CLASIFICACION GEOMECANICA DE ROCAS

Definicion y significado de los macizos rocosos

geomecanica

Los macizos rocosos son un medio descontinuo, de carácter anisótropo y heterogéneo, cuya composición deriva de la unión de diversas discontinuidades y por bloques de matriz rocosa. Se encuentran en la naturaleza, en medio ambiente sedimentario.

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Significado de macizo o maciza: proviene del francés “massif” para designar a una gran masa montañosa o a un conjunto compacto de montañas unidas que componen una parte independiente de tierra.

En el macizo rocoso las discontinuidades son las que cambian la continuidad de las propiedades mecánicas de los bloques rocosos, mientras que la matriz rocosa son rocas intactas que a pesar de ser cuerpos continuos microscópicamente tiene varias especies de minerales.

El conjunto de discontinuidades y la matriz rocosa son los responsables del comportamiento mecánico global de la maciza rocosa, debido a esto, para lograr estudiar la conducta de las rocas masizas primero hay que realizar un análisis de las propiedades de la matriz rocosa y las discontinuidades, este análisis busca examinar y definir de manera simple la condición del macizo rocoso (continental), y es posible lograrlo con éxito a través de diferentes clasificaciones geológicas. Entre ella están: Protodyakonov, Bieniawski, Laubscher, Barton, Romaña, las cuales determinarán la calidad de la maziza rocosa y la fragmentará en dominios estructurales donde cada uno de ellos tendrá cualidades parecidas, como: Litología, espaciado de juntas, entre otros. En los límites de un dominio estructural pueden llegar a coincidir rasgos geológicos, tales como fallas o diques.

No podemos dejar de mencionar en este tema que también existen deformaciones en los macizos rocosos. La deformación de un macizo rocoso es ocasionada y se determina por la relación que existe entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones ya producidas y que quedan definidas por su propio módulo de deformación, que se relaciona directamente con la tensión o esfuerzo de la mencionada deformación correspondiente, esto dependiendo de la “deformación” tanto de la matriz rocosa como de las discontinuidades, siendo que la de estas últimas siempre es mayor que deformación de la matriz rocosa.

Caracterizacion de las propiedades resistentes de los macizos rocosos en mecanica de rocas

La caracterización de las propiedades resistentes busca calificar a los macizos rocosos en función de sus características geológicas, mediante alguno de los sistemas de clasificación geomecánica, tales como; q de Barton, mrmr laubscher, entre otros, los cuales se estarán desarrollando más adelante.

La caracterización de las rocas, de los macizos rocosos y el estudio de su comportamiento mecánico y deformacional, son complicados debido a la gran variabilidad de características, propiedades que presentan y al elevado número de factores que las condicionan.

Cuando se habla de características, se hace referencia a los grados de fracturamiento, a las familias estructurales, la condición de agua, condición de esfuerzos, entre otros.                    

En la mecanica de rocas** al calificar o caracterizar un macizo rocoso se obtendrá un análisis exhaustivo que permitirá determinar la condición de la mazisa o mejor dicho la calidad del macizo, evitando y/o disminuyendo accidentes por caída de rocas, a fin de controlar la estabilidad de las rocas, estableciendo tipos de sostenimiento en las diferentes labores mineras y garantizando la estabilidad de la masa rocosa, con la finalidad de brindar una operación segura y de calidad.

Por otro lado, es de suma importancia conocer las propiedades geomecánicas de los mazisos rocosos, para poder asegurar la estabilidad de una obra y disminuir posibles riesgos geológicos y esto se obtiene a través de las metodologías que cuantifican la calidad de los mismos.

Es de mencionar que las propiedades de los macizos rocosos están determinadas por sus discontinuidades, y en geologia según el índice de propiedades de las rocas, a excepción de los casos de: construcciones de gran profundidad, perforaciones y excavaciones, rocas blandas; como las salinas, yesos, argilitas, limolitas, depósitos terciarios que se comportan como suelos.

Propiedades de los macizos rocosos en relación a los bloques de roca intacta:

Un macizo de roca está conformado en parte por bloques de roca intacta. Su relación entre el esfuerzo principal efectivo en la condición de la falla para un tipo de roca dado, se encuentra definida por dos (2) constantes, que son la resistencia en compresión no confinada “σci” y una constante “mi”. Esto según el criterio generalizado de Hoek-Brown.

Siempre que sea posible, los valores de estas constantes deberían determinarse mediante un análisis estadístico de los resultados obtenidos de una serie de ensayos triaxiales que se realizan sobre testigos de sondajes que se preparan cuidadosamente. Debe entenderse que el rango de valores del esfuerzo principal menor, utilizado en los ensayos, es crítico para la determinación de valores confiables de estas dos constantes. En la original derivación de sus parámetros σci y mi, Hoek & Brown [1] usaron el rango 0 < σ’3 < 0,5 σci, que, para ser consistente, le es esencial que se use el mismo rango en cualquier serie de los antes mencionados ensayos triaxiales sobre probetas de roca intacta.

Cuando no hay posibilidades de realizar pruebas en un laboratorio especializado para todo esto, se pueden implementar las Tablas 1 y 2 para estimar los valores de σci y mi. Estas estimaciones se pueden utilizar para propósitos de un diseño preliminar, sin embargo, para diseños a detalle se deberían desarrollar ensayos de laboratorio que permitan conseguir valores más confiables.

Cuando se practica o se ensaya con rocas muy duras y frágiles, sería bueno considerar que las pruebas de laboratorio, de corta duración, suelen sobrestimar la resistencia in-situ del macizo rocoso.

En un extenso programa de ensayos del laboratorio de estudios de terreno que está en el granito Lac du Bonnet, con excelente calidad geotécnica, han indicado, de acuerdo a lo expuesto por Martin & Chandler [7], que la resistencia in-situ de esta roca es sólo del orden del 70% de la resistencia que se ha medido en el laboratorio. Aparentemente por que el daño resultante por el micro-fracturamiento de la roca que se desarrolló e inicio en intensidades muy críticas y en niveles de esfuerzo considerados más bajos en el terreno que en las pruebas del laboratorio, además realizadas con razones de carga más altas y sobre especímenes más pequeños.

rocas
tipos de roca

Resistencia del índice geológico:

En relación a la resistencia que tiene un macizo rocoso fracturado, este dependerá de las propiedades de los trozos o bloques de roca intacta y, también, de la libertad de éstos para deslizarse y girar bajo diferentes condiciones de esfuerzo. La libertad está o estará controlada por el perfil geométrico de los trozos o bloques de una roca intacta, igualmente por la condición de las superficies que separan los trozos o bloques. En cuanto a los trozos de roca que son angulosos, con caras definidas por superficies lisas y abruptas, estas producen un macizo rocoso mucho más idóneo que uno que contiene bloques completamente rodeados por material intemperizado o alterado.

Macizos rocosos en la mecánica de rocas:

La mecánica de rocas es una ciencia concerniente y dedicada al comportamiento mecánico de las rocas, de los macizos rocosos y a los campos de fuerza de su ambiente físico. Aplicada a la ingeniería geológica, ingeniería civil, de minas y la ingeniería petrolera.

Se ocupa de realizar estudios tanto teóricos, como, prácticos. Su objetivo consiste en describir las propiedades mecánicas existentes en los materiales rocosos para permitir así, poder conocer y comprender el comportamiento de estos materiales, así como, los diferentes grados de resistencia y propiedades mecánicas del mismo; las propiedades elásticas de la roca, la predicción de la presión de los poros, la determinación de la magnitud y la dirección de los esfuerzos in-situ y la distribución de la presión de poro o arcillas de la zona que se estudia. 

La utilización o aplicación en la mecánica de rocas: Tiene una gran variedad de aplicaciones, como; en ingeniería civil, para la construcción de edificaciones tales como edificios, puentes, carreteras o tuneles que deben construirse en terrenos rocosos, por lo que se deberán estudiar para determinar su calidad y resistencia de las rocas.

Un problema particularmente común en la mecánica de rocas, es el evaluar el efecto que se produce en la interacción de los materiales con diferentes resistencias y rigideces. Este tipo de interacción es de gran ayuda e importancia en la mecánica de rocas, puesto que se debe evaluar el efecto de la presencia de las rocas intactas y de las discontinuidades.

En los casos donde las discontinuidades se presentan de manera no persistente, hay un gran número de parámetros que influyen en la resistencia y deformabilidad del macizo rocoso, por lo que no se ha conseguido deducir una relación adecuada para poder predecir el comportamiento del macizo, y, además, hay parámetros con muy poca o casi nula documentación que agregan gran incertidumbre o confusión al problema. Por esto, el trabajo que conlleva la mecánica de rocas busca evaluar el efecto de las propiedades resistentes de las estructuras en su dicha resistencia, ductilidad y modo de falla de probetas con fracturas no persistentes.

Existen estudios experimentales sobre este tema, de los cuales podemos explicar un poco sobre cómo se llevó a cabo; desarrollándose materiales modelo para representar las propiedades de una roca a escala de laboratorio, generándose estructuras reproducibles con propiedades conocidas y realizando una serie de ensayos biaxiales mediante los cuales se estudia el efecto de las propiedades resistentes en la resistencia, ductilidad y modo de falla del conjunto.

Durante este tipo de investigación se logra generar materiales que representen el comportamiento de un material rocoso, con una conducta frágil y con propiedades adimensionales en un rango correcto para representar materiales rocosos. También, se puede generar algunos tipos de estructuras reproducibles cerradas, de las cuales se selecciona sólo una para ensayos biaxiales, además de estructuras completamente abiertas.

A través de los ensayos biaxiales se puede comparar, en primer lugar, la resistencia de un modo de falla plano calculado de forma teórica (mediante la aplicación del criterio de Jennings) con los resultados prácticos-experimentales y mediante este procedimiento se logra comprobar que la resistencia propuesta en teória se aproxima bien a la resistencia experimental en casos que las estructuras tienen una orientación parecida a la de la tensión principal mayor, en cambio sub-estiman la resistencia entre un 30 y un 40 % en los casos que la orientación de las estructuras están en inclinación de 45º con respecto a la tensión principal mayor. Además, con la ejecución de estos ensayos, se determina que las propiedades resistentes de las estructuras afectan el modo de una falla, incluso más que en la geometría y que en la tensión principal secundaria.

Una falla por rotación estaría asociada a una resistencia muy baja, grandes deformaciones y resistencia residual muy alta en comparación a su resistencia de falla. En cambio, una falla plana estaría asociada a resistencias altas, pero con baja ductilidad y baja resistencia residual.

Excavilidad de un macizo rocoso: Dentro de las consideraciones geomecánicas se debe tomar en cuenta que cuando un macizo requiere ser excavado, se busca descubrir la facilidad y calidad del mismo para la elección de un método de excavación, para esto se consideran cálculos previos de los parámetros de rotura en base principalmente a la compresión de la roca intacta y el espacimiento de las discontinuidades del macizo rocoso.

Al excavar un macizo rocoso o construir estructuras sobre la matriz rocosa se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual corresponde a cambios deformándose y/o rompiéndose.

La excavación mecánica de rocas presenta muchas ventajas en comparación con otros sistemas de excavación, que permiten que su desarrollo vaya en incremento, existen diversos métodos mecánicos de excavación, como; picas de fricción, cortadores, entre otros. Que servirán mejor según el análisis de las relaciones básicas de fundamento y ejecución de la rotura de las rocas.

Los parámetros que intervienen en este análisis son la fuerza normal, la fuerza de corte, la profundidad del corte, el ancho de pica, el ángulo de la punta, la resistencia de la compresión y la tracción de la roca, la resistencia cortante de la roca, el ángulo de inclinación, el ángulo de deslizamiento, el ángulo de rozamiento interno, la separación entre picas, el factor de distribución de tensiones y el ángulo de limpieza.

Clasificacion geomecanica de los macizos rocosos

Las clasificaciones geomecanicas aparecen para implementar de una forma mas sencilla, los diferentes grados de calidad que obtienen los macizos rocosos, según su matriz, características, propiedades y discontinuidades.

En mecanica de rocas o tambien conocida como geomecanica de rocas; esto sería una evaluación cuantitativa donde de un masizo se consigue un índice numérico que como se mencionó anteriormente, le representa su calidad. Y se consigue a través de diferentes métodos, como: Indice rqd, qd Barton, rmr bieniawski, laubscher, entre otros que se estarán explicando a continuación. 

Clasificacion geomecanica: Deere. Indice RQD

RQD; en ingles Rock Quality Designation, lo que se traduce como Designación de la calidad de roca. Esta clasificación propuesta por Deere en 1964, sugería obtener a partir de la definición índice de calidad de roca RQD una separación de calidad en 5 categorías, que son: la definición de rqd rocas, la clasificación de la roca, la propuesta de merrit y la relación entre el factor de carga rqd y terzaghi. La obtención de resultados es mediante un proceso que utiliza las muestras de las perforaciones o sondajes para determinar una calidad, si hay existencia de fallas, fracturas presentes y la fuerza presente en la roca; arrojando un resultado porcentual que se aplica de la manera siguiente:

geomecanica
tunel 1

La clasificación geomecánica de Deere fue criticada en ciertos aspectos, por hechos como los de que el índice RQD formaba parte de otros sistemas mucho más elaborados, por lo que se consideraba insuficiente para describir o determinar lo suficiente sobre un mazico rocoso, debido a que no tomaba en cuenta aspectos tales como la influencia y orientación del relleno de juntas, las rocas blandas, la presencia de agua y su presión.

Clasificacion geomecanica: Indice Q de Barton

El sistema Q de Barton se representa en una formula donde geomecanica

Para entender con más claridad esta fórmula explicamos el significado de los parámetros que se introducen en el RQD.

Jn, describe el número de familias de discontinuidad.

Jr, es el parámetro que representa la rigurosidad de las juntas.

Ja, se refiere a la alteración de las juntas.

Jw, parámetro o factor que se asocia al agua en juntas.

SRF, este factor está asociada al estado tensional de las zonas de corte, expansividad, fluencia, tensiones “in situ”

Estos permiten dar a cada uno de ellos un sentido físico en el cual pueden representar el tamaño del bloque medio (RQD/Jn), los términos de rugorosidad, fricción, relleno de las juntas y representación de la resistencia en el corte entre bloques (Jr/Ja) y la combinación de condiciones de agua, tensión y por lo tanto puede interpretar una tensión eficaz y efectiva.

La obtención de Q facilita la estimación de sostenimiento de túneles, y con esto se establece un proceso que implica; primero, seleccionar el grado de excavación mediante un factor de seguridad definido como un índice ESR, la referencia ESR corresponde a esos túneles que se encuentran en obras de transportes como carreteras o en vías de ferrocarriles, cambiando así la percepción que se puede tener por una determinada obra. Segundo, se escoge el tipo de sostenimiento donde se combina Q con el diámetro de luz libre de la excavación afectado por el coeficiente ESR.

Diferencia roca-suelo

Al final los resultados obtenidos son la dimensión equivalente, el valor y el índice de calidad de Q, la calidad del macizo rocoso, las clases de rocas, la dimensión equivalente, el espaciado de los pernos de las zonas que estén y no estén gunitadas, así como la longitud de los mismos, la categoría y los tipos de sostenimientos mejores sugeridos para un posible túnel.

Las críticas recibidas para Q de Barton se basan en su complejidad al reflejar algunos índices, como Ja o SRF. Siendo estos difíciles de interpretar, se recomienda más este sistema para adaptarse a definir rocas de baja calidad.

Clasificacion geomecanica: Indice RMR Bieniawski

El sistema Bieniawski, del índice RMR se consigue con la suma de cinco números que a su vez van en función de la resistencia a la compresión simple de la roca matriz, el RQD, la condición del agua, el esparcimiento, orientación y condición de las discontinuidades.

Al obtener el RMR básico entre un numero de 0 a 100, lo que propone Bieniawski es ajustar en función de la relación entre la orientación del túnel y de las discontinuidades. La clasificación RMR proporciona también la calidad global de la roca, y una indicación del tiempo de estabilidad de una excavación libre de la cohesión de la roca y de su ángulo de fricción. A partir de RMR es posible obtener, además; sin soporte una idea del tiempo de estabilidad de excavaciones, recomendaciones para el sostenimiento en túneles, correlaciones con otras propiedades del macizo rocoso y la resistencia de la roca intacta.

Esta clasificación comprende la estructura del macizo rocoso, sus conjuntos de fallas, las diaclasas, pliegues, entre otras características propiamente geológicas. Se ha desarrollado y tiene experiencia en zonas como en el Africa del sur. Su utilización es bastante amplia, únicamente no se recomienda para lugares con rocas expansivas y fluyentes.

Este sistema fue señalado por favorecer los índices medios de calidad, otorgar cambios radicales en tan solo un parámetro lo que afectaría muy significativamente la reacción de un macizo rocoso, la resistencia de sus discontinuidades y parece también sobrevalorar a él espaciamiento entre juntas e indirectamente al RQD.

Clasificacion geomecanica: Indice MRMR Laubscher

geomecanicaCon esta clasificación se proponían algunas modificaciones a otra clasificación geomecánica, la de Bieniawski, la cual serviría como base para dar nacimiento a la clasificación del índice mrmr Laubscher. Considerándose entonces como una modificación y encontrándose basada además en minería de explotación. Los ajustes consistirían a partir del valor original de la meteorización, esfuerzos in-situ e inducidos, cambios de los esfuerzos, efetos de la voladura, ajustes combinados, recomendaciones para el sostenimiento, influencia de las orientaciones del rumbo y buzamiento.

Para zonas o lugares normalmente en profundidades elevadas y de roca dura, siendo las tensiones naturales generadas por la explotación de elementos decisivos.

Apartando de lado la atención de los campos tensionales, los aportes de Laubscher se encuentran enfocados a los productos de las detonaciones, así como al peso de la meteorización en los sólidos rocosos.

Esta propone que el índice de calidad del solido rocoso resulta de la sumatoria de cinco parámetros, que son: RQD, IRS que significa resistencia de la roca intacta, índice del espacio de las juntas, estado de las juntas y flujo de agua.

De este sistema o clasificación se obtienen resultados en cuanto a los valores RMR, el tipo de clase, subclase, descripción y diseño del sostenimiento de la matriz rocosa.

Clasificacion geomecanica: Criterio de Mohr Coulomb

El criterio de Mohr Coulomb o también llamado criterio de la fricción interna se emplea para determinar la combinación de esfuerzo cortante y/o normal que se puede causar en una fractura de material. Se determinan los ángulos donde esas tensiones sean máximas, generalmente por una rotura se produce el caso de tensión principal máxima.

Esta clasificación es un criterio de resistencia estática que se aplica a mageomecanicateriales frágiles, donde según el punto analizado se determina la resistencia del material, siempre y cuando su círculo de Mohr sea interno a la envolvente a los círculos correspondientes de una rotura de ensayo de fricción, compresión y en la línea tangente de ambos. Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

geomecanicaSe entiende que:

σ1, σ2, σ3 serían las principales tensiones del punto analizado, ordenadas de forma que:  geomecanica

Sut>0 sería la resistencia a la rotura a tracción, y Suc>0 la resistencia a la rotura a compresión.

Con respecto a el coeficiente de seguridad en el punto analizado, de acuerdo con el criterio de Coulomb-Mohr se obtiene de:

El criterio de resistencia se representa de manera gráfica a través de un diagrama σ13, como se indica en la figura a continuación, mostrando la zona sombreada como la zona segura, para la cual el material resiste de acuerdo con dicho criterio establecido.

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En campos como el de la ingeniería estructural este sistema se utiliza para determinar la carga de rotura, el ángulo de la rotura de una fractura de desplazamiento en materiales cerámicos u otros parecidos como el hormigón.

Mohr coulomb a pesar de presentar cálculos sencillos, presenta algunos inconvenientes criticados, debido a que las envolventes de falla no son lineales, la resistencia de la roca es menor con el incremento de la presión de confinamiento, lo que provoca errores en los cálculos, además no siempre coinciden la orientación del plano de fractura con los ensayos reales que se experimentan.

Geomecanica minera y clasificacion orientada a la construccion de tuneles

A través de la geomecanica minera se pueden establecer los planes a seguir para garantizar la seguridad en las minas y disminuir el riesgo de accidentes graves por caidas de rocas, permitiendo asi brindar una operación segura y de calidad.

Por otro lado, la mecanica de rocas en mineria es de suma importancia y fundamental para la realización y ejecución de las labores mineras subterráneas y superficiales de un trabajo de arquitectura sobre un macizo, debido a que los macizos rocosos contienen componentes estructurales complejos que se requieren estudiar para poseer así el máximo conocimiento sobre él, y que de este modo se puedan construir túneles, chimeneas o piques y que sea siempre lo más seguro posible para el personal que se encuentra trabajando en ellos, igualmente sirve para definir los materiales y herramientas que se van a utilizar, esto en base a los resultados de la mecánica de rocas, reduciendo tiempo, costos y extrayendo efectivamente los minerales.  

La construcción de varias clasificaciones de tuneles es donde más importancia va a tener el estudio de la mecánica de rocas, ya que se hace un análisis profundo y a detalle de las propiedades del macizo rocoso y se define si se necesita algún tipo de sostenimiento o revestimiento en dicho túnel.

Cabe mencionar que en las labores subterráneas se presentan agrietamientos de los macizos rocosos, lo que se manifiesta en la pérdida de su estabilidad y el mecanismo de actuación de la presión.

Es de mencionar en este tema que para calcular el sostenimiento de túneles o galerías mineras actualmente se utilizan softwares informáticos. Se han creado programas especializados que faciliten los cálculos, resultados y la obtención de la información necesaria que brinda las recomendaciones para un buen sostenimiento y para una mejor realización del trabajo que se conlleva. Estos tipos de herramientas de cálculos son de gran ayuda y hoy en día prácticamente indispensables para los ingenieros que están llevando proyectos mineros, ya que al diseñar los sostenimientos deben hacerlo con un sustento técnico adecuado, justificado y demostrando que es factible y que será satisfactorio en el ámbito practico minero.

Preguntas frecuentes:

  1. ¿Qué es un macizo rocoso?

Un macizo rocoso es un medio discontinuo, anisótropo, hibrido y mezclado conformado por un grupo de bloques de matriz rocosa y distintos tipos de discontinuidades que afectan al medio rocoso.

  1. ¿Qué es la matriz rocosa?

La Matriz Rocosa es el material rocoso libre de discontinuidades o de los bloques de roca intacta que van quedando entre ellas.

  1. ¿Qué son las discontinuidades?

Las discontinuidades son cualquier plano de origen mecánico o sedimentario que se independizan o separan de los bloques de matriz rocosa en un macizo rocoso.

  1. ¿Qué es la Diaclasa?

Una diaclasa es una rotura o fractura en las rocas que no van acompañadas de deslizamientos en los bloques, como estructuras de deformación frágil de las rocas, las cuales son muy abundantes en la naturaleza.

  1. ¿Cómo se calcula el RQD?

El índice RQD se desarrollado en 1964 por Deere. Este se consigue y fija midiendo el porcentaje de recuperación del testigo en testigos de más de 100 mm de longitud. Los testigos que no estén duros o firmes no deben contarse, aunque tengan más de 100 mm de longitud.

  1. ¿Qué es RMR en mineria?

RMR son las siglas de Rock Mass Rating, lo que traducido significa clasificación de masa de rocas. La clasificación del macizo rocoso y Q (Tunnel Quality Index) – son índices para determinar la calidad de un túnel.

  1. ¿Cómo se determina Q de Barton?

Q es un índice que está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la expresión siguiente: Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF Jn = Este índice diaclasado indica el grado de fracturación del macizo rocoso.

  1. ¿Cuándo se formaron los macizos?

Los macizos son realmente los remanentes que quedaron de los continentes que formaban la superficie terrestre desde la era primaria o paleozoica; hace unos 4.500 millones de años hasta el inicio de la vida en los mares hace unos 570 millones de años atrás.

Fuentes:

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