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• Joaquín Sepulveda

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División El Teniente

CODELCO - CHILE

Modelo Geomecánico del Macizo Rocoso Primario de Mina El Teniente

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Estudio DT - IG - 97 - 002 Julio de 1997

Resumen Ejecutivo Dada la importancia que tiene para División El Teniente la mecánica del proceso de caving, actualmente los ingenieros y geólogos de la División se encuentran estudiando en forma detallada este fenómeno, e invitaron a este consultor a participar en dicho estudio. El presente informe representa la primera parte de dicha participación, y su propósito es proponer, en base a algunos conceptos fundamentales, un modelo geomecánico para el macizo rocoso primario de la Mina El Teniente. En este informe se discuten algunos aspectos básicos de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos, se resume el comportamiento observado en modelos físicos de medios clásticos o formados por bloques y las metodologías usuales para evaluar las propiedades mecánicas de los macizos rocoso; y, conforme con todo lo anterior, se propone un modelo geomecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente, que es competente, masivo y con un enrejado tipo “stockwork” de estructuras selladas. Como resultado de este trabajo se puede señalar lo siguiente : (1)

Se definieron los conceptos básicos necesarios para definir un modelo conceptual de macizo rocoso, así como también una serie de términos comúnmente utilizados en ingeniería y geología geotécnica (ver Sección 3, pgs. 1 a 19).

(2)

Se define el concepto más general de macizo rocoso; demostrándose que el mismo está asociado a un concepto de escala o volumen de material, y que depende del problema particular que se este considerando. Por lo tanto, los conceptos de roca intacta, macizo rocoso y estructuras del macizo rocoso están acoplados y no pueden definirse en forma independiente (ver Sección 4, pgs. 20 a 22).

(3)

Conforme con lo anterior, también se ordenan las estructuras geológicas según su “tamaño” (ver Sección 5, pgs. 23 a 25).

(4)

Se han revisado los resultados de ensayos sobre probetas con discontinuidades y/o conformadas por bloques (ver Sección 6.2, pgs. 26 a 36), concluyéndose lo siguiente : •

La presencia de discontinuidades disminuye o hace menos competentes las propiedades mecánicas de la roca intacta y, si existen varios sistemas de discontinuidades que definen bloques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda definida por un único sistema de discontinuidades).

•

La presencia de discontinuidades que definen bloques induce un comportamiento anisotrópico, que puede llegar a ser muy notable y queda definido, usualmente, por la dirección de las discontinuidades más débiles, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las discontinuidades más blandas, en lo que se refiere a compresibilidad.

•

A medida que aumenta el número de sistemas o familias de discontinuidades, la anisotropía inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del material se hace más isotrópico. De hecho, la anisotropía suele ser máxima cuando existe un único sistema de discontinuidades que es claramente dominante.

•

El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que también de la geometría de éstos.

1

(5)

•

La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocurrencia de modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica definida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o inestabilidades tipo “kink band”.

•

Dependiendo de las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resistencias de la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura puede ser o no influenciada por la orientación de las discontinuidades y puede comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.

•

Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento cargadeformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga.

Se han revisado los métodos que se han utilizado en la práctica para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso (ver Sección 6.3, pgs. 37 a 40), concluyéndose que la tendencia actual es utilizar el método generalizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser correcto, ya que : •

La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesariamente concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos métodos.

•

El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores menores de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

•

En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla geológica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen planos de cizalle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de hacer esto no ha sido explícitamente definida.

•

Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comportamiento isotrópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructural que tenga influencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evidentemente, existen muchos casos en que esto no es así.

•

Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas fracturas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícitamente definido, pero Karzulovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el criterio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos.

2

Por lo tanto puede concluirse que los métodos actualmente utilizados “en forma estándar” para evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de estructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no influyen la cinemática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. (6)

Si se acepta como hipótesis básica, como en este trabajo, que el macizo rocoso está formado por bloques; entonces, en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre modelos constituidos por bloques que se han publicado en la literatura, se puede concluir que eventuales desplazamientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del macizo rocoso. Por lo tanto, resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos desplazamientos y para esto se acepta la validez del Teorema de Shi (ver Sección7 , pg. 41).

(7)

Se propone el siguiente modelo mecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente (ver Sección 8, pgs. 41 a 49) : •

El macizo rocoso primario corresponde a un volumen de material conformado por bloques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con rellenos menos competentes que su roca de caja (ver Figura 8.9 de pg. 46).

•

Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla 4.1 de pg. 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el posible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

•

Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso y su comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las discontinuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discontinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en pg. 24 y Tabla 8.1 de pg. 47).

•

El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominantes”, las cuales quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, también, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direcciones “predominantes primarias”, que dependen únicamente del arreglo estructural del macizo rocoso, y direcciones “predominantes secundarias”, que dependen del arreglo estructural y de la cavidad subterránea del problema considerado. Las direcciones “predominantes primarias” quedan definidas por las direcciones más débiles que son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subterránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas estructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la dirección de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxima resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir, de acuerdo a Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asociados a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta es la dirección de máxima resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia). Estas direcciones “pre-

3

dominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geofábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son ortogonales, se sugiere el considerar sistemas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria. Las direcciones “predominantes secundarias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secundarias corresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arreglo estructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subterránea (que define hacia donde se puede mover el material), y de las fuerzas actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad). •

Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cinemáticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea, entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotrópico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este caso, se sugiere utilizar el criterio generalizado de Hoek-Brown para definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

•

Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemáticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subte29 rránea , entonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será preciso proceder de la siguiente manera :

•

−

Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)).

−

Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman (1995)). En este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que definen los bloques.

−

Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortificación adecuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP.

−

Deberá repetirse este análisis para la nueva cavidad.

Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen de material considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plausible la ocurrencia de modos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facilitan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el interior del macizo, de cuerpos filonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominante en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, dique de lamprófido, etc.).

4

El modelo mecánico aquí propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo conceptual y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a : (a)

Desarrollar un ejemplo de aplicación de la metodología recomendada para definir bloques removibles (i.e. teoría de bloques), y el análisis de la estabilidad de dichos bloques.

(b)

Aplicar el modelo mecánico a uno o dos casos prácticos. Finalmente, cabe señalar que : •

El modelo mecánico aquí propuesto no considera la posibilidad que los bloques que se desplazan se traben entre sí .

•

Debe tenerse presente que en cualquier análisis deberá considerarse la evolución en el tiempo de las solicitaciones sobre el macizo rocoso, producto inevitable de la operación minera.

5

DIVISIÓN EL TENIENTE CODELCO - CHILE

MODELO GEOMECÁNICO DEL MACIZO ROCOSO PRIMARIO DE MINA EL TENIENTE CONCEPTOS FUNDAMENTALES INDICE DE CONTENIDO 1.

INTRODUCCION

..… 1

2.

ANTECEDENTES Y FUENTES DE INFORMACION

….. 1

3.

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS

….. 1

4.

CONCEPTO Y ESCALAS DEL MACIZO ROCOSO

… 20

5.

ESCALA Y ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS

… 23

6.

PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

… 25

6.1.

GENERALIDADES

… 25

6.2.

MODELOS FÍSICOS Y ENSAYOS DE LABORATORIO

… 26

6.3.

EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO : EFECTO DE ESCALA

… 37

7.

TEOREMA DE SHI

… 41

8.

MODELO GEOMECANICO PROPUESTO PARA EL MACIZO ROCOSO PRIMARIO DE EL TENIENTE

… 41

9.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

… 50

10.

REFERENCIAS

… 55

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INDICE DE TABLAS Tabla 3.1 :

ALGUNOS SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE ROCAS, ESTRUCTURAS Y MACIZOS ROCOSOS

… 12

Tabla 3.2 :

CALIFICACION DEL MACIZO ROCOSO SEGUN SU GRADO DE FRACTURAMIENTO

… 14

Tabla 3.3 :

RELACION ENTRE EL TAMAÑO “TIPICO” DE LOS BLOQUES QUE CONFORMAN EL MACIZO ROCOSO Y JV

… 15

Tabla 4.1 :

ESCALAS DE MACIZOS ROCOSOS Y VOLUMENES DE MATERIAL CONSIDERADO

… 22

Tabla 5.1 :

ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y SUS CARACTERISTICAS

… 24

Tabla 6.1 :

TIPOS DE MODELOS FISICOS DEL MACIZO ROCOSO

… 27

Tabla 6.2 :

ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES … 28

Tabla 6.3 :

METODOS PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

… 39

Tabla 8.1 :

ESCALAS DE MACIZO ROCOSO Y ESTRUCTURAS ASOCIADAS A DISTINTOS TIPOS DE PROBLEMAS DE CAVIDADES SUBTERRANEAS

… 22

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INDICE DE FIGURAS Figura 3.1 :

EJEMPLOS DE ROCA INTACTA CON DISTINTA PETROFÁBRICA Y DISTINTO COMPORTAMIENTO …

…..

4

Figura 3.2 :

PROBETAS DE BRECHA ÍGNEA CON UN ARREGLO DE VETILLAS SELLADAS …

…..

4

Figura 3.3 :

EJEMPLOS DE DISTINTOS TIPOS DE ROCA INTACTA

..…

5

Figura 3.4 :

EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS CON PERSISTENCIAS EN EL RANGO DE …

..…

7 9

Figura 3.5 :

ALGUNOS EJEMPLOS DE MACIZO ROCOSO

..…

Figura 3.6 :

VARIACIÓN DE LA GEOFÁBRICA DE UNA ARCILLA REMOLDEADA DURANTE LA EVOLUCION …

….. 11

Figura 3.7 :

DIAGRAMA DE ROSETA QUE MUESTRA LA VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA Y ORIENTACION …

….. 11

Figura 3.8 :

EJEMPLO IILUSTRATIVO DE LA FORMA DE CALCULO DEL INDICE RQD

….. 15

Figura 3.9 :

VARIACIÓN DEL INDICE RQD CON EL GRADO DE FRACTURAMIENTO FF

….. 16

Figura 3.10 : TIPOS DE BLOQUES QUE PUEDEN ENCONTRARSE EN EL MACIZO ROCOSO …

….. 16

Figura 3.11 : POSIBLES TIPOS DE BLOQUES EN UN MACIZO ROCOSO

….. 17

Figura 3.12 : EJEMPLO QUE MUESTRAN COMO UN BLOQUE CON UNA MISMA GEOMETRÍA IN SITU …

….. 18

Figura 3.13 : EJEMPLO DE LA DEFINICIÓN TOPOLÓGICA DE LOS JP QUE PRODUCEN EN EL MACIZO …

….. 19

Figura 3.14 : EJEMPLO BIDIMENSIONAL QUE ILUSTRA LA DEFINICIÓN TOPOLOGICA DE LAS JP Y …

….. 20

Figura 4.1 :

ESQUEMA QUE MUESTRA EL EFECTO DEL VOLUMEN DE MATERIAL CONSIDERADO …

….. 21

Figura 4.2 :

ESQUEMA QUE MUESTRA COMO, DEPENDIENDO DEL PROBLEMA A ANALIZAR, PUEDEN …

….. 22

Figura 5.1 :

ESQUEMA QUE MUESTRA COMO, DEPENDIENDO DEL PROBLEMA A ANALIZAR, PUEDEN…

….. 25

Figura 6.1 :

EJEMPLOS DE ALGUNOS DE LOS MODELOS FÍSICOS DE BLOQUES QUE HAN SIDO …

….. 27

Figura 6.2 :

ENVOLVENTES DE FALLA DE MOHR-COULOMB OBTENIDAS PARA PROBETAS DE …

….. 30

Figura 6.3 :

CASO DE RESISTENCIA ANISOTRÓPICA DEBIDO A DISCONTINUIDADES QUE DEFINEN …

….. 30

Figura 6.4 :

EJEMPLO QUE MUESTRA COMO AL AUMENTAR EL NÚMERO DE SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES…

….. 31

Figura 6.5 :

CONFIGURACIONES DE BLOQUES ENSAYADAS POR BROWN (1970,76)

….. 31

Figura 6.6 :

VARIACIÓN DE LA FUERZA AXIAL, FA, DEL CAMBIO DE VOLUMEN, ∆V, Y DEL CAMBIO DE …

….. 32

Figura 6.7 :

CURVAS ESFUERZO DESVIATÓRICO VERSUS DEFORMACIÓN AXIAL OBTENIDAS POR BROWN (1976)

….. 33

Figura 6.8 :

EJEMPLO DE FALLAS TIPO “KINK BAND” EN UN MEDIO FORMADO POR BLOQUES

….. 34

Figura 6.9 :

DISTINTOS MODOS DE FALLA EN PROBETAS CONFORMADAS POR BLOQUES…

….. 35

Figura 6.10 : DISTINTOS MODOS DE FALLA EN MODELOS DE BLOQUES ENSAYADOS POR LAMA (1975)

….. 35

Figura 6.11 : EJEMPLOS DE DISTINTOS COMPORTAMIENTOS CARGA-DEFORMACIÓN EN FUNCION DE LA …

….. 36

Figura 6.12 : ESQUEMA QUE MUESTRA LA APLICABILIDAD DEL CRITERIO DE HOEK-BROWN

….. 40

Figura 8.1 :

MUESTRA DE ANDESITA PRIMARIA DEL SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE…

….. 42

Figura 8.2 :

MUESTRA DE ANDESITA PRIMARIA DEL SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE…

….. 42

Figura 8.3 :

DETALLE QUE MUESTRA LA SUPERFICIE DE UN TROZO EXPUESTO DE LA FALLA B QUE APARECE…

….. 43

Figura 8.4 :

DETALLE QUE MUESTRA LA SUPERFICIE EXPUESTA DE UNA FALLA EN EL NIVEL TENIENTE 5…

….. 43

Figura 8.5 :

SOBRE-EXCAVACIÓN SIN CONTROL ESTRUCTURAL EN UN PIQUE CIRCULAR DEL UNDERGROUND…

….. 44

Figura 8.6 :

SOBRE-EXCAVACIÓN COMPLETAMENTE DEFINIDA POR ESTRUCTURAS, LAS CUALES DEFINEN…

….. 44

Figura 8.7 :

PROBETA C-5 U-20.2 DE ANDESITA PRIMARIA HW , SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE…

….. 45

Figura 8.8 :

PROBETA C-5 U-20.3 DE ANDESITA PRIMARIA HW , SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE…

….. 45

Figura 8.9 :

EJEMPLO DEL MODELO DE MACIZO ROCOSO PRIMARIO QUE AQUÍ SE PROPONE…

….. 46

Figura 8.10 : DETERMINACIÓN DE LA DIRECCIÓN DE MÁXIMA RESISTENCIA CONFORME CON LA PROPOSICION DE…

….. 48

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A. Karzulovic & Asoc. Ltda.

1.

1

INTRODUCCION

Dada la importancia que tiene para División El Teniente la mecánica del proceso de caving, actualmente los ingenieros y geólogos de la División se encuentran estudiando en forma detallada este fenómeno, e invitaron a este consultor a participar en dicho estudio. El presente informe representa la primera parte de dicha participación, y su propósito es proponer, en base a algunos conceptos fundamentales, un modelo geomecánico para el macizo rocoso primario de la Mina El Teniente. En lo que sigue de este informe se discuten algunos aspectos básicos de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos, se resume el comportamiento observado en modelos físicos de medios clásticos o formados por bloques y las metodologías usuales para evaluar las propiedades mecánicas de los macizos rocoso; y, conforme con todo lo anterior, se propone un modelo geomecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente, que es competente, masivo y con un enrejado tipo “stockwork” de estructuras selladas.

2.

ANTECEDENTES Y FUENTES DE INFORMACION Este trabajo se basa en los siguientes antecedentes y fuentes de información : (a)

Visitas de inspección técnica a distintos sectores de la Mina El Teniente, efectuadas en diversas oportunidades por este consultor en conjunto con los ingenieros y geólogos de División El Teniente.

(b)

Reuniones técnicas con los ingenieros de División El Teniente a cargo del estudio de la mecánica del caving.

(c)

Biblioteca técnica de A. Karzulovic & Asoc. Ltda.

3.

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS

La gran mayoría de los ingenieros y geólogos concuerda con la definición, algo general, de que un MACIZO ROCOSO está formado por la ROCA y por las ESTRUCTURAS GEOLOGICAS, estas últimas agrupadas habitualmente en “diaclasas” (joints) y “fallas” (faults). Si bien podría argumentarse que esta definición corresponde a uno de los axiomas fundamentales de la ingeniería geotécnica, no siempre existe acuerdo en el significado de los términos “roca” y “estructuras geológicas”. Algunas definiciones de “roca” : •

Sustancia mineral que por su extensión forma parte importante de la masa terrestre (Diccionario de la Lengua Española de la Real Academia Española , 21ª ed., 1992).

•

Agregado coherente de uno o más minerales, de ocurrencia natural, que conforma las unidades básicas que constituyen la corteza terrestre y se encuentra típicamente en volúmenes claramente reconocibles y mapeables (Enciclopaedia Britannica (1994)).

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2

•

Material duro y compacto de la superficie terrestre (Krynine & Judd (1957)).

•

Agregado natural de partículas minerales conectadas entre sí por fuerzas cohesivas fuertes y permanentes (Terzaghi & Peck (1967)).

•

Cualquier material duro cuya excavación requiere perforación y tronadura u otros métodos similares de aplicación de fuerza bruta (Sowers (1979)).

•

Masa sólida y competente que conforma volúmenes, estratos o filones de materia mineral in situ y de una dureza y textura tales que no puede ser efectivamente soltada o rota mediante equipos de movimiento de tierras (definición de un “ingeniero - abogado”, según Goodman (1990)).

•

Un agregado relativamente común de partículas minerales, … de uno o más tipos, … que es compacto o coherente …. Excepciones al requerimiento de que las rocas están conformadas por minerales son la obsidiana, una roca volcánica compuesta de materia vítrea; y el carbón, que es una mezcla de compuestos orgánicos (Parker (1988)).

•

Un agregado, consolidado o no consolidado, de partículas minerales de uno o más tipos, cuyas características mineralógicas y químicas son relativamente constantes. En la acepción más popular se considera que se encuentra en la corteza terrestre y es un material duro, compacto y coherente (Parker (1994)).

Algunas definiciones de “estructuras geológicas” : •

Discontinuidades planas y delgadas resultantes del comportamiento frágil de bloques de roca que sufren desplazamientos relativos a lo largo de un plano. Si la componente del desplazamiento relativo de los bloque en el plano de la discontinuidad es nulo o muy pequeño para ser apreciado a simple vista, entonces ésta se denomina plano de diaclasamiento (joint); en caso contrario, ésta se denomina falla geológica (fault) (Hobbs et al. (1976)).

•

Fractura que atraviesa un volumen de roca. Si no muestra desplazamientos de un lado relativo al otro se denomina plano de diaclasamiento (joint). Si muestra desplazamientos relativos se denomina falla geológica (fault) (Parker (1994)).

•

Discontinuidades del macizo rocoso que se encuentran a una escala tal que pueden ser medidas físicamente … Pueden ser singenéticas (se forman conjuntamente con la roca, cual el caso de los planos de estratificación), o epigenéticas (ocurren después de la formación de la roca, cual el caso de las fallas)… Pueden ser de distintos tipos : laminaciones, planos de estratificación, fisuras, planos de diaclasamiento, fallas, etc.….. En general, su clasificación para propósitos de ingeniería se basa en sus características morfológicas (Attewell & Farmer (1976)).

Las definiciones antes reseñadas concuerdan en que la “roca” es un material “competente” o “de buena calidad” y que las “estructuras geológicas” son discontinuidades, básicamente planas, que “cortan” o “atraviesan” la roca y se generaron por la falla o ruptura frágil de ésta (por lo que corresponderían a “planos de debilidad”). Por otra parte, la literatura geotécnica de los últimos 20 años, especialmente en lo relativo a la calificación y clasificación geotécnica de macizos rocoso, ha introducido algunos conceptos adicionales, cuyo significado no siempre es tan claro como debiera : “roca intacta”, “fracturas”, “frecuencia de fracturas”, “calidad geotécnica”, “índice de calidad geotécnica”, etc.

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3

Con el propósito de tratar el problema en forma adecuada y lograr una buena comprensión de lo que aquí se expone, en lo que sigue de este trabajo se aceptan las siguientes definiciones básicas : PETROFABRICA

: El conjunto de todas las características estructurales y texturales de un material pétreo, sea suelo o roca, que se manifiestan en 1 cada elemento observable del mismo .

SUELO

: Material pétreo homogéneo, generalmente de origen natural, compuesto por un conjunto de clastos y partículas minerales cuyo tamaño puede variar desde muy fino (arcilla) a muy grueso (bloques de roca), con distintos tipos de distribuciones granulométricas y que puede o no presentar cohesión (i.e. la capacidad de conformar un talud vertical); pero cuya principal característica es que no es duro y puede disgregarse en forma fácil a no muy difícil, por lo que su excavación en general no requiere el uso de 2 explosivos .

ROCA

: Material pétreo homogéneo, generalmente de origen natural, compuesto por un conjunto de uno o más minerales o por materia vítrea (e.g. obsidiana) o por compuestos orgánicos (e.g. carbón); que puede presentar diversas texturas, desde microcristalina a fanerítica, y que puede o no estar afectado por procesos de alteración y/o mineralización secundaria. Es un material que presenta cohesión (i.e. la capacidad de conformar un talud vertical) y cuya característica más común es ser duro y de difícil disgregación, por lo que su excavación generalmente requiere el 2 uso de explosivos .

ROCA INTACTA

: Volumen de roca de tamaño “pequeño” pero representativo de la petrofábrica de la roca considerada, pero sin mostrar irregularidades ni defectos tales que influyan su comportamiento mecánico “propio”, especialmente en lo que dice relación con la cine3 mática de su ruptura . Se entiende como volumen “pequeño” el de una probeta típica -4 -3 3 de laboratorio, o sea del orden de 10 a 5×10 m (probetas de 4 42 a 150 mm de diámetro y de 84 a 300 mm de alto) . Se entiende por irregularidades la presencia de cuerpos que puedan afectar el comportamiento mecánico de la probeta (por ejemplo : clastos de tamaño grande, amígdalas, vetillas, estructuras selladas, etc.). Se entiende por defectos a huecos, fracturas u otro tipo de discontinuidades en la materia rocosa (por ejemplo : poros, vesículas, fracturas, estructuras abiertas, etc.).

1

Modificada de Friedman (1964).

2

Basada en la definición que presenta Karzulovic (1996).

3

La definición que aquí se presenta corresponde a la definición “tradicional” de roca intacta; sin embargo, como se discute más adelante en este informe, en su forma más general el concepto de roca intacta, y por ende la noción de “volumen de tamaño pequeño”, depende del volumen de material considerado como macizo rocoso.

4

Conforme con la definición tradicional de roca intacta (e.g. ver INBA - LAB - RI - 01 - 97).

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Respecto a la definición de “roca intacta” es conveniente notar lo siguiente : • Incluye rocas alteradas, por lo que un “mismo tipo” de roca intacta incluye no sólo el mismo tipo de roca (litología), sino que también el mismo tipo y el mismo grado de alteración. • Está implícitamente asociada al comportamiento mecánico del volumen de roca considerado. • La roca intacta es homogénea pero, dependiendo de su petrofábrica, podrá ser isotrópica o anisotrópica, como se ilustra en el esquema de Figura 3.1. Por lo tanto la probeta tendrá un comportamiento mecánico “propio”; el cual podrá corresponder al de un sólido homogéneo isotrópico (caso (a) en Figura 3.1), o bien a un sólido homogéneo anisotrópico (casos (b) y (c) en Figura 3.1). • El volumen considerado DEBE representar la petrofábrica de la roca considerada, POR LO QUE MUCHAS VECES DEBERA INCLUIR IRREGULARIDADES (e.g. amígdalas) Y/O DEFECTOS (e.g. vetillas); sin embargo, éstos no deberán afectar el comportamiento mecánico “propio” de la petrofábrica de la roca considerada. Para aclarar esto se presentan los ejemplos siguientes :

Figura 3.1 : Ejemplos de roca intacta con distinta petrofábrica y distinto comportamiento mecánico : (a) defectos distribuidos aleatoriamente, con comportamiento isotrópico (típico de rocas ígneas y metamórficas); (b) defectos planos y paralelos, comportamiento anisotrópico (típico de rocas sedimentarias y metamórficas); y, (c) defectos “lineales” , comportamiento anisotrópico (típico de rocas metamórficas) (tomada de Wittke (1990)).

(a)

(b)

Figura 3.2 : Probeta de brecha ígnea con un arreglo de vetillas selladas (a) que definen la cinemática de la ruptura de la probeta (b), por lo que la resistencia medida NO corresponde a la de la roca intacta.

− Una probeta de esquisto micáceo presenta planos de esquistosidad, por lo que su resistencia en compresión no confinada depende de la orientación relativa entre los planos de esquistosidad y la dirección de la carga; sin embargo, este comportamiento es propio del tipo de roca intacta considerado y la relación experimental resistencia vs. orientación puede considerarse representativa del comportamiento mecánico de la roca intacta. − Una probeta de 100 mm de diámetro y 200 mm de alto de brecha ígnea de andesita del Sector Esmeralda de Mina El Teniente presenta un enrejado de vetillas selladas tipo "stockwork", por lo que su clasificación como roca intacta dependerá de si estas vetillas tienen efecto sobre la cinemática de la ruptura de la probeta o no. En el caso que se ilustra en Figura 3.2 la ruptura es afectada por las discontinuidades y el resultado obtenido no corresponde a la resistencia de la roca intacta. • Supone que, por su tamaño, el volumen de roca considerado no contiene defectos “mayores” que sí están presentes en el macizo rocoso (e.g. estructuras geológicas); sin embargo si puede, para poder representar correctamente la petrofábrica, contener irregularidades y/o defectos menores o a pequeña escala, como se ilustra en los ejemplos de Figura 3.3 de página siguiente.

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(a) Dacita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(b) Diorita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(c) Andesita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(d) Brecha Braden, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(e) Granodiorita Fortuna, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

(f)

(g) Pórfido Este con alteración potásica, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

(h) Pórfido Este con alteración clorítica, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

(i)

(j)

Pórfido Oeste, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

Granodiorita Este, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

Granito rosado, III Región, Chile

Figura 3.3 : Ejemplos de distintos tipos de roca intacta

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ESTRUCTURAS GEOLOGICAS

: Discontinuidades planas que atraviesan la roca y cuya génesis está asociada a uno o más procesos geológicos. Pueden ser de distintos tipos : laminaciones, planos de estratificación, fisuras, diaclasas, fallas, etc. Pueden estar abiertas o selladas, y presentar diversas características morfológicas; pero su característica más común es que, en la gran mayoría de los casos, constituyen planos de debilidad o menor resistencia que la roca. Usualmente, en el macizo rocoso aparecen agrupadas en familias o sistemas, algunos de los cuales son muy conspicuos o francamente predominantes mientras que otros son secundarios o muy poco conspicuos. Su extensión o persistencia puede variar mucho y, dependiendo del volumen que interese, algunas podrán tratarse en forma estadística (por ejemplo las diaclasas), mientras que otras deberán considerarse individualmente (por ejemplo una falla geológica mayor). En esta definición se incluyen también las grietas y fracturas inducidas por efecto de la actividad del hombre. En Figura 3.4 de página siguiente se muestran algunos ejemplos de estructuras geológicas cuyas persistencias varían de centímetros a kilómetros.

DOMINIO ESTRUCTURAL

: Se denota DEST y corresponde a un sector o dominio donde las estructuras presentes en el macizo rocoso presentan un único patrón, bien definido. En otras palabras, en un dominio estructural existen ciertos sistemas, principales y/o secundarios, de estructuras, todos y cada uno de ellos con características bien definidas en términos de valores modales y desviaciones respecto a los mismos. Las características más utilizadas en la práctica de la ingeniería geotécnica para definir todos y cada uno de los sistemas de estructuras de un dominio estructural son el manteo y la dirección de manteo; y, aunque se usan menos, también son útiles el espaciamiento, la persistencia, el tipo de relleno y otras características morfológicas (e.g. extensión zona de influencia) y/o geológicas (e.g. tipo de estructura geológica) (e.g. ver Brown (1981)).

UNIDAD LITOLOGICA

: Corresponde a un volumen importante de material, que se ubica dentro de un mismo dominio estructural y se caracteriza por presentar un mismo tipo de roca, MTR, un mismo tipo de alteración, MTA, y un mismo grado de alteración, MGA. Es el macro equivalente al concepto de roca intacta, se denota ULTG y pue6 de expresarse como : ULTG

MACIZO ROCOSO

=

DEST ! MTR ! MTA ! MGA

(3.1)

: Volumen importante de roca que se encuentra intersectado, total y/o parcialmente, por estructuras geológicas; las cuales definen numerosos “sub-volúmenes” o “bloques” de roca que, en

5

En lo que sigue de este trabajo se supone que las estructuras geológicas son entes planos; sin embargo, esta es una aproximación ya que en numerosos casos las estructuras presentan algún grado de curvatura, que puede ser notable en el caso de macizos rocoso que han sufrido plegamientos.

6

Esta definición supone que la unidad litológica define corresponde a un dominio convexo, o sea tal que cualquier línea definida por 2 puntos dentro del mismo queda completamente contenida por éste. Si bien esto corresponde a una simplificación y no incluye a unidades litológicas no convexas o cóncavas, se presenta aquí porque facilita la compresión del “espíritu” detrás del concepto de unidad litológica.

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FALLA OESTE ( LIMITE OCCIDENTAL ), MINA CHUQUICAMATA, II REGION, CHILE

P > 104 m

ZONA DE CIZALLE ( BLOCKY AND SEAMY ), EN METASEDIMENTOS, PARED ESTE, MINA CHUQUICAMATA, II REGION, CHILE

ESTRUCTURAS MAYORES QUE DELIMITAN EL BLOQUE QUE CAYO A CAUSA DEL ESTALLIDO DE ROCA DEL 18.01.90, XC - Z 28 / 29, NIVEL DE TRASPASO Y EXTRACCION, TTE SUB 6, MINA EL TENIENTE, VI REGION, CHILE

103 < P < 104 m

102 m < P < 103 m

7

VETILLAS SELLADAS EN ANDESITA PRIMARIA, MINA EL TENIENTE, VI REGION. CHILE

10-1 m < P < 100 m

ESTRUCTURA MAYOR QUE DELIMITA EL DAÑO CAUSADO POR EL ESTALLIDO DE ROCA DEL 08.04.97 EN LA CAJA Hw , C5, UCL, SECTOR ESMERALDA, MINA EL TENIENTE, VI REGION, CHILE

ESTRUCTURAS MAYORES EN CHIMENEA RIOLITICA, CRATER DE SUBSIDENCIA, MINA RIO BLANCO, V REGION, CHILE

101 m < P < 102 m

102 m < P < 103 m

FALLA GEOLOGICA, NIVEL TTE 5, MINA EL TENIENTE, VI REGION, CHILE

ESTRUCTURA MAYOR QUE DEFINE UN PLANO DE DESLIZAMIENTO, MINA A RAJO ABIERTO, II REGION, CHILE

103 m < P < 104 m

ESTRUCTURAS QUE DELIMITAN EL MOLDE DEJADO POR LA CAIDA DE UN BLOQUE DE ROCA, MINA SUBTERRANEA, CANADA

101 m < P < 102 m 100 m < P < 101 m

FALLAS GEOLOGICAS FALLAS REGIONALES

104

ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS MAYORES

DISCONTINUIDADES MENORES

103 102 101 100 PERSISTENCIA DE LA ESTRUCTURA GEOLOGICA, P ( m )

10-1

Figura 3.4 : Ejemplos de estructuras geológicas con persistencias en el rango de centímetros a kilómetros.

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7

conjunto, conforman el macizo rocoso . Conforme con esto, puede señalarse que el macizo rocoso está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corresponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Por lo tanto, parece evidente que el comportamiento mecánico del macizo rocoso dependerá de los siguientes factores : • Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen8. • Propiedades de las estructuras del macizo rocoso9. • Interacción del conjunto de bloques10. Todo esto se traduce en que el macizo rocoso corresponde a una unidad litológica con bloques de una “misma” geometría y dentro cuyos volúmenes quedan dentro de un “rango característico”; lo que, para efectos prácticos, equivale a señalar que el macizo rocoso, MR, corresponde al sector de una unidad litológica que presenta un mismo grado de fracturamiento, MGF (és11 te se define más adelante). Conforme con esto : MR

=

ULTG ! MGF

(3.2)

En Figura 3.5 de página siguiente se muestran algunos ejemplos de macizo rocoso. MACIZO ROCOSO SECUNDARIO

: Macizo rocoso que ha sufrido el efecto de la percolación de las aguas subterráneas, y se caracteriza por presentar un porcentaje importante de estructuras geológicas abiertas y/o con rellenos 12 blandos a muy blandos (limonita, yeso, arcilla, etc.) .

MACIZO ROCOSO PRIMARIO

: Macizo rocoso que no ha sufrido el efecto de la percolación de las aguas subterráneas, y se caracteriza por presentar un porcentaje nulo a muy bajo de estructuras geológicas abiertas y/o con rellenos blandos. Todas o casi todas sus estructuras están selladas y en general presentan rellenos relativamente competentes (anhidrita, turmalina, pirita, etc.); aunque también pueden 12 presentar rellenos débiles (clorita, sericita, molibdenita, etc.) .

7

Como se discute más adelante en este informe, el volumen “importante” que define el macizo rocoso puede variar, dependiendo del problema considerado.

8

Estas serían similares a las de la roca intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca intacta, para los bloques de mayor tamaño.

9

Mucho menos competentes que las de la roca intacta, y especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la cinemática de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

10

Esta básicamente depende del grado de “trabazón” que presenta el arreglo de bloques, y queda definida por la geometría del conjunto de bloques y la condición de contacto entre bloques adyacentes.

11

Esta definición supone que el macizo rocoso corresponde a un dominio convexo. Si bien esto es una simplificación y no incluye macizos rocosos no convexas o cóncavos, se presenta aquí porque facilita la compresión del “espíritu” detrás del concepto de macizo rocoso.

12

Esta definición es puramente geomecánica y no considera explícitamente los aspectos relativos a la mineralización del macizo rocoso, que son los usualmente utilizados en geología para diferenciar roca primaria de roca secundaria.

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(a)

(c)

Ejemplo de macizo rocoso masivo y roca de mediana competencia : Chimenea riolítica en la pared del cráter de subsidencia de la Mina Río Blanco (el farellón que se muestra tiene un altura de unos 200 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 75 MPa y el macizo rocoso presenta menos de 2 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de División Andina Sr. Michel Galeb).

Ejemplo de macizo rocoso masivo y roca competente : andesita Fw del Sector Esmeralda, Mina El Teniente (la frente que se muestra tiene un altura de 3 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 105 MPa y el macizo rocoso presenta menos de 3 fract./m (aunque muestra un arreglo tipo stockwork de vetillas selladas).

9

(b)

Ejemplo de macizo rocoso fracturado y roca de mediana a poca competencia : granodiorita Elena con alteración propilítica en el Sector SE de Mina Chuquicamata (el banco que se muestra tiene un altura de 26 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 50 MPa y el macizo rocoso presenta 15 a 23 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de División Chuquicamata Sr. Ricardo Torres).

(d)

Ejemplo de macizo rocoso fracturado y roca competente : brecha Monolito en el Sector SW de Mina Sur Sur (la altura de banco que se muestra es de unos 12 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 130 MPa y el macizo rocoso presenta 8 a 14 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de División Andina Sr. Michel Galeb).

Figura 3.5 :

Algunos ejemplos de macizo rocoso.

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GEOFABRICA

: Es el equivalente, para el macizo rocoso, de la petrofábrica de la roca intacta. Define el comportamiento mecánico e hidráulico del macizo rocoso, y queda definida por : las características geométricas del arreglo de bloques, las características morfológicas de las estructuras, las condiciones de contacto entre bloques y las propiedades físicas de la roca que constituye los bloques. El concepto de geofábrica es tremendamente importante 13 en geomecánica y no necesariamente corresponde a un invariante geomecánico; ya que, como se ilustra en los ejemplos de Figuras 3.6 y 3.7 de página siguiente, la petrofábrica y la geofábrica de un material pétreo pueden cambiar, en la medida que éste responde a las solicitaciones que actúan sobre él.

INVARIANTE GEOMECANICO

: Característica o parámetro geomecánico que no cambia, para el intervalo de respuesta considerado, en la medida que el macizo rocoso responde a las solicitaciones sobre él actuantes. Hay muy pocos invariantes geomecánicos. Ejemplos : el peso propio del macizo rocoso (para efectos prácticos no cambia mientras el macizo rocoso no se disgregue), la resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (no cambia a menos que el macizo rocoso sufra un nuevo proceso de alteración y/o mineralización).

VARIANTE GEOMECANICO

: Característica o parámetro geomecánico que cambia, para el intervalo de respuesta considerado, en la medida que el macizo rocoso responde a las solicitaciones sobre él actuantes. Casi todos los parámetros geomecánicos son variantes. Ejemplos : la frecuencia de fracturas, los índices de calidad geotécnica, la deformabilidad del macizo rocoso, etc.

CALIDAD GEOTECNICA

: Calificación cualitativa de la calidad de una roca, de estructuras geológicas y/o de un macizo rocoso, en relación a sus potenciales usos en ingeniería civil y/o de minas.

CLASIFICACION GEOTECNICA

: Clasificación de la roca y/o de las estructuras y/o del macizo rocoso según su calidad geotécnica, de acuerdo a cierta escala de clasificación que puede basarse en uno o más parámetros geotécnicos. En Tabla 3.1 de página subsiguiente se presentan al14 gunos de los métodos de clasificación geotécnica .

INDICE DE CALIDAD GEOTECNICA

: Parámetro numérico que describe, en forma cuantitativa, la calificación de la calidad geotécnica. Se usan generalmente para calificar el macizo rocoso y los más usados son : la designación de la calidad del macizo rocoso, RQD (rock quality designation, Deere et al. (1967)); el rating del macizo rocoso, RMR (rock mass rating, Bieniawski (1973, 76, 79)); el rating “minero” del

13

Gerrard (1977) presenta una excelente discusión al respecto.

14

Esta tabla no pretende reseñar todos los métodos de clasificación geotécnica existentes (probablemente del orden de varias decenas), sino que ilustrar el hecho de que no existe un método único o que haya demostrado, en la práctica, ser siempre mejor que los otros. Además, también pretende mostrar que muchos métodos, algunos incluso bastante utilizados, no son sino derivaciones, con alguna(s) modificación(es), de otro método desarrollado con anterioridad.

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DEFORMACION

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TIEMPO

Variación de la geofábrica de una arcilla remoldeada durante la evolución de un ensayo de deformación a carga constante (creep tests) (tomada de Vyalov et al. (1973)).

CARGA

Figura 3.6 :

DEFORMACION

Figura 3.7 :

Diagramas de roseta que muestran la variación de la frecuencia y orientación de las microfracturas en una probeta de arenisca, durante la evolución de un ensayo de compresión triaxial a deformación controlada (tomada de Hoshino & Koide (1970)).

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Tabla 3.1 ALGUNOS SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE ROCAS, ESTRUCTURAS Y MACIZOS ROCOSOS (con apoyo en los trabajos de Goodman (1976) , Karzulovic & Karzulovic (1982) y Bieniawski (1989)) TIPO DE CLASIFICACION

ROCA INTACTA

ESTRUCTURAS

MACIZO ROCOSO

SISTEMA DE CLASIFICACION Principal Derivados - Coates (1964) • Coates & Parsons (1966) - Deere & Miller (1966) - Underwood (1967) - Bernaix (1969) - Bergh-Christensen & Selmer-Olsen (1970) - Selmer-Olsen & Blindheim (1970) - Tourenq & Denis (1970) - Tourenq et al. (1971) - Obert & Rich (1971) - ISRM (1981) - Goodman (1989) - Karzulovic (1996) - Pettijohn (1957) - US Army Corps of Engineers (1968) - Fookes & Denness (1969) - Cording & Deere (1972) - Brekke & Howard (1973) - Barton (1974) - Jawanski (1977) - ISRM (1978) - Karzulovic (1988) - Pusch (1995) - Terzaghi (1946) - Lauffer (1958) - John (1962) - Pacher et al. (1964) - Obert & Duvall (1967) - Deere et al. (1967) ( RQD ) - Ege (1968) - Kruse et al. (1969) - Onodera (1970) - Iida et al. (1970) - Müller & Hoffman (1970) - Franklin et al. (1971) - Goodman & Duncan (1971) - Wickham et al. (1972, 74) ( RSR ) - Bieniawski (1973, 76, 79) ( RMR ) • Weaver (1975) • Laubscher (1977, 90, 93) ( MRMR ) - Haines & Terbrugge (1991) • Olivier (1979) • Ghose & Raju (1981) • Kendorski et al. (1983) • Unal (1983) • Romana (1985) • Smith (1986) • Robertson (1988) - Barton et al. (1974) ( Q ) • Kirsten (1982) - Hoek et al. (1995) ( GSI )

PROPOSITO Resistencia de la roca, uso general Resistencia y deformabilidad de la roca Clasificación de esquistos Grado de fisuración de la roca Tronaduras Perforación Grado de fisuración de la roca Resistencia de la roca, uso general Textura y comportamiento, uso general Resistencia relativa en tracción Estructuras en rocas sedimentarias Clasificación de espejos de falla, fundaciones Clasificación de fisuras según su extensión areal Resistencia, estabilidad de bloques en cavernas Material de relleno, obras subterráneas Estructuras con relleno, uso general Criterio genético, uso general Criterio geotécnico, uso general Resistencia y deformabilidad, estabilidad de bloques Efectos de escala, uso general Túneles, fortificación arcos metálicos Túneles, periodo de puente Uso general Túneles Minería subterránea Uso general Fortificación de túneles Fortificación de túneles Uso general Fundaciones de presas Uso general Uso general y excavabilidad Taludes y cortes en roca Túneles, fortificación con arcos metálicos Fortificación de túneles, propiedades geomecánicas Excavabilidad Minería en roca dura (métodos por hundimiento) Estabilidad de taludes Degradabilidad por intemperización Minería del carbón, fortificación Minería en roca dura (block caving), fortificación Minería del carbón, fortificación Estabilidad de taludes Escaraficabilidad Estabilidad de taludes en roca débil Obras subterráneas, fortificación Excavabilidad Propiedades mecánicas del macizo rocoso

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macizo rocoso, MRMR (mining rock mass rating, Laubscher (1977, 90, 93)); y el índice de calidad, Q (quality index, Barton et al. (1974)). Actualmente se está comenzando a usar, cada vez más, el índice de resistencia geológica del macizo rocoso, GSI (geological strength index, Hoek et al. (1995)). INDICE DE CALIDAD GEOTECNICA

: Parámetro numérico que describe, en forma cuantitativa, la calificación de la calidad geotécnica. Se usan generalmente para calificar el macizo rocoso y los más usados son : la designación de la calidad del macizo rocoso, RQD (rock quality designation, Deere et al. (1967)); el rating del macizo rocoso, RMR (rock mass rating, Bieniawski (1973, 76, 79)); el rating minero del macizo rocoso, MRMR (mining rock mass rating, Laubscher (1977, 90, 93)); y el índice de calidad, Q (quality index, Barton et al. (1974)). Actualmente se está comenzando a usar, cada vez más, el índice de resistencia geológica del macizo rocoso, GSI (geological strength index, Hoek et al. (1995)). Al utilizar un índice de calidad geotécnica, especialmente con fines comparativos, se debe tener especial cuidado de la fecha de la escala que se usa, ya que en la mayoría de los casos éstas han sido modificadas, una o más veces, por sus autores. Además, debe tenerse siempre presente que dada la variabilidad propia de los parámetros considerados para definir los índices de calidad geotécnica, así como el grado de subjetividad inherente a su evaluación; no es posible definir la calidad geotécnica de un macizo rocoso en términos de un único valor del índice geotécnico, sino que la definición debe hacerse en términos de un rango para este índice, independientemente del sis15 tema que se utilice para calificar el macizo rocoso .

FRECUENCIA LINEAL DE FRACTURAS

: Parámetro que representa la frecuencia por metro de longitud, en una dirección dada, de todas aquellas estructuras que “forman bloques potencialmente removibles”; vale decir, de todas aquellas estructuras abiertas y/o con rellenos débiles que pre16 sentan una persistencia observada mayor que 2 m y que al unirse con otras estructuras definen, sobre la superficie de mapeo, polígonos cerrados. Resulta evidente que la magnitud de este parámetro depende de la dirección en que se mida, por lo 17 que, si no se indica explícitamente la dirección de referencia , se considerará que el valor indicado corresponde al valor “típico” del macizo rocoso. Por su definición, este parámetro SI puede presentar variaciones dentro de un mismo dominio estructural, pero NO en un mismo tipo de macizo rocoso.

15

En los trabajos de Hoek & Brown (1997) y de Hoek et al. (1995) se encuentran discusiones muy interesantes respecto a este hecho; y Hoek (1997) describe los efectos que el mismo produce en la evaluación de las propiedades mecánicas del macizo rocoso, en el desarrollo de análisis geotécnicos y en la evaluación de los resultados obtenidos.

16

Esta definición de persistencia mínima es indudablemente arbitraria pero presenta innegables ventajas, ya que los bloques definidos por estructuras de menor persistencia generalmente no resultan de importancia práctica.

17

Karzulovic & Goodman (1985) y Karzulovic (1997) presentan interesantes discusiones al respecto.

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Por lo tanto, resulta útil para zonificar geotécnicamente una misma unidad litológica en macizos rocosos con distinto grado de fracturamiento y, por ende, distintas propiedades mecánicas. 18 Este parámetro se denota FF y sus unidades son fract./m . Este parámetro se utiliza en la práctica para zonificar las distintas unidades litológicas según su grado de fracturamiento y, en este trabajo, se acepta básicamente la escala de calificación utilizada por División Andina y que se resume en Tabla 3.2. Tabla 3.2 CALIFICACION DEL MACIZO ROCOSO SEGUN SU GRADO DE FRACTURAMIENTO (basada en la escala utilizada por División Andina)

Calificación del Macizo Rocoso según su Grado de Fracturamiento Muy Masivo Masivo Fracturado Muy Fracturado Extremadamente Fracturado

FF ( fract./m ) 0 a 2 3 a 7 8 a 14 15 a 23 24 o más

FRECUENCIA LINEAL PROPIA DE UN SISTEMA ESTRUCTURAL

: Corresponde a la frecuencia por metro de longitud, en una dirección dada, de las estructuras de un mismo sistema estructural y, para el sistema “j” se denota λj. También se denomina frecuencia principal para el sistema “j”. Si la dirección de medida coincide con la dirección de manteo del sistema, entonces el valor esperado de λj corresponde al inverso del valor esperado de sj.

ESPACIAMIENTO PROPIO DE UN SISTEMA ESTRUCTURAL

: Corresponde al valor modal del espaciamiento entre estructuras de un mismo sistema estructural, medido en la dirección de la normal a las estructuras de dicho sistema. Se denota sj y no varía dentro de un mismo dominio estructural.

NUMERO VOLUMETRICO DE ESTRUCTURAS

: Parámetro que representa la cantidad esperada de estructuras por unidad de volumen en un mismo dominio estructural, y que se define como la sumatoria de los inversos de los espaciamientos de los sistemas estructurales presentes en el dominio considerado. Se denota Jv y, conforme con lo anterior, para un dominio estructural con n sistemas o familias de estructuras queda definido por : n

JV =

∑

j= 1

18

1 sj

(3.3)

Resulta interesante señalar que la evolución del método de calificación y clasificación geotécnica de macizos rocosos propuesto por Laubscher (1976, 90, 93) sugiere que la frecuencia lineal de fracturas, FF, sería “equivalente” al “conjunto” del índice RQD y el espaciamiento entre las discontinuidades, s.

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15

Este parámetro es invariante dentro de un mismo dominio estructural; por lo tanto, no resulta útil para zonificaciones geotécnicas dentro de un mismo dominio estructural. Finalmente, es interesante reseñar que Barton et al. (1984) proponen la correlación entre el tamaño “típico” de los bloques que conforman el macizo rocoso y el parámetro JV que se resume en Tabla 3.3. Tabla 3.3 RELACION ENTRE EL TAMAÑO “TIPICO” DE LOS BLOQUES QUE CONFORMAN EL MACIZO ROCOSO Y JV JV ( estructuras/m3 ) < 1 1 a 3 3 a 10 10 a 30 30 a 60 > 60

INDICE RQD

: El índice RQD o designación de la calidad de la roca (rock quality designation), se define como la razón entre la sumatoria de los trozos de testigo con una longitud axial mayor o igual que 10 cm y el largo total perforado, como se ilustra en el ejemplo de Figura 3.8 (tomada de Deere (1989)).

RQD =

L = 0 NO HAY TROZOS CON CENTRO > 10 cm

L = 20 cm

L = 43 cm

L=0 SIN RECUPERACION DE TESTIGO

CORRIDA TOTAL DEL SONDAJE = 200 cm

L = 17 cm

Σ trozos > 10 cm ( 4”) Corrida totalDEL delSONDAJE sondaje TOTAL CORRIDA

L = 38 cm

FRACTURA FRESCA DEBIDA A LA PERFORACION DEL SONDAJE

Tamaño “Típico” de los Bloques MUY GRANDE GRANDE MEDIANO PEQUEÑO MUY PEQUEÑO ROCA MOLIDA

RQD = 38 + 17 + 20 + 43 200 RQD = 59 %

X 100 %

( REGULAR )

RQD

CALIDAD GEOTECNICA DEL MACIZO ROCOSO

< 25

MUY MALA

25 a 50

MALA

50 a 75

REGULAR

75 a 90

BUENA

90 a 100

EXCELENTE

Figura 3.8 : Ejemplo ilustrativo de la forma de cálculo del índice RQD (tomada de Deere (1989) )

19

La ISRM recomienda que las evaluaciones del índice RQD se hagan con testigos del tamaño NQ o NX 20 (54,7 mm de diámetro) , obtenidos con muestreador de doble tubo. También se recomienda que la carrera del sondaje utilizada para evaluar el índice RQD sea la típica y ojalá no exceda 1,5 m. Al evaluar el RQD no se deben consideras las fracturas frescas, inducidas por la perforación, ni tampoco sectores de roca muy meteorizada y/o arcillizada, aunque éstos entreguen testigos de más de 10 cm.

19

International Society for Rock Mechanics.

20

Sin perjuicio del hecho que en la práctica pueden usarse los tamaños en el rango de BQ a PQ (i.e. con diámetros de 36,5 a 85 mm), si el sondaje se perfora cuidadosamente y la interpretación es cuidadosa en detectar fracturas frescas, producidas por la perforación.

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Conviene señalar que existen relaciones entre el índice RQD y otros parámetros geotécnicos. De hecho, Deere et al. (1967) presentan los datos que se muestran en Figura 3.9 y a los cuales se les ha “ajustado una banda” para correlacionar los parámetros RQD y FF.

100 CLIMAX STOCK, CAJA DE TUNEL CLIMAX STOCK, CAJA DE TUNEL CLIMAX STOCK, TESTIGOS NX PRESA DWORSHAK, TESTIGOS NX BASALTO JOHN DAY, TESTIGOS NX

80

16

LIMONITA HACKENSACK, TESTIGOS NX

RQD ( % )

60

Una relación empírica entre la magnitud del índice RQD y el parámetro JV, es la siguiente :

40

RQD = 115 − 3,3 × JV

20

0 0

5

10

15

20

FRECUENCIA DE FRACTURAS ( fract./m )

Figura 3.9 : Variación del índice RQD con el grado de fracturamiento FF (modificada de Deere et al. (1967)).

(3.4)

con el límite RQD = 100 para valores de JV menores que 4,5. Por otra parte, Priest & Hudson (1976), en base al análisis de numerosas mediciones en rocas sedimentarias proponen la siguiente correlación entre RQD y FF : RQD = 100 × (1 + 0,1 × FF) × exp −0,1 × FF (3.5)

Finalmente, conviene indicar que en la práctica el índice RQD es relativamente insensible a variaciones en FF si éste parámetro es menor o igual que 3 fract./m. BLOQUE DE ROCA

II

VI

: Volumen de roca delimitado por estructuras y/o planos o caras libres (e.g. cajas, piso y techo de una excavación subterránea); cuya geometría queda definida por la orientación espacial de los planos que lo definen y cuyo tamaño queda definido, además de por esta orientación, por el espaciamiento de los sistemas a los cuales pertenecen las estructuras que definen el bloque. En base a consideraciones cinemáticas, pueden definirse los 6 tipos de bloque que se ilustran en Figura 3.10 (Goodman (1989)) :

IV

• Bloques Tipo VI, caracterizados por estar definidos únicamente por estructuras y no presentar ninguna cara libre. Se denominan “bloques de estructuras” (joint blocks).

V I

• Bloques Tipo V, caracterizados por presentar al menos una cara libre, pero ser “infinitos hacia cerro adentro”; por lo que no pueden desplazarse a menos que se formen fracturas que lo subdividan. Se denominan “bloques infinitos” (infinite blocks).

I II III

Figura 3.10 : Tipos de bloques que pueden encontrarse en el macizo rocoso, en la vecindad de una excavación subterránea (modificada de Goodman (1989)).

• Bloques Tipo IV, caracterizados por presentar al menos una cara libre, pero tener una forma tal que están trabados por otros bloques y no pueden desplazarse a menos que los otros se desplacen primero. Se denominan “bloques trabados” (tapered blocks).

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17

• Bloques Tipo III, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, pero ser estables en la condición estudiada independientemente de las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar este tipo de bloque en un bloque potencialmente inestable). Este tipo de bloque se denominará “bloque estable”. • Bloques Tipo II, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, pero ser francamente estables en la condición estudiada si las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras no son notoriamente menores que los valores “típicos” (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar este tipo de bloque en un bloque potencialmente inestable). Este tipo de bloque se denominará “bloque hipoestable”. • Bloques Tipo I, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, y ser potencialmente inestables en la condición estudiada. Si las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras son suficientemente altas para asegurar la estabilidad del bloque, éste se denominará “potencial bloque crítico”; en caso contrario, se denominará “bloque crítico” (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar un “potencial bloque crítico” en “bloque crítico” y viceversa). TIPOS DE BLOQUES

Bloques de Tamaño Infinito

Bloques de Tamaño Finito

Bloques No Removibles

Bloques Removibles

III V

VI Bloques con caras libres

II

Potenciales bloques críticos

IV Bloque de Estructuras

I

Bloques críticos

Los bloques tipo VI, V y IV no tienen posibilidad cinemática de desplazarse, a menos que se produzca previamente el desplazamiento de otros bloques y/o la ocurrencia de fracturas que subdividan algunas bloques y/o la falla, al menos en algunos sectores, del macizo rocoso. Por lo tanto, estos bloques son NO REMOVIBLES. Por otra parte, los bloques tipo III, II y I si tienen posibilidad cinemática de desplazarse, por lo que se denominarán BLOQUES REMOVIBLES. Todo lo anterior se resume en el esquema de Figura 3.11.

Figura 3.11 : Posibles tipos de bloques en un macizo rocoso.

PIRAMIDE DEL BLOQUE

: La pirámide del bloque (block pyramid), BP, define la geometría de un bloque dado; o sea, describe los planos que delimitan el bloque y la forma en que éstos lo hacen (considerando si la normal de cada plano se dirige hacia adentro o hacia afuera del bloque). Dado que un bloque puede tener o no caras libres, en

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general la pirámide del bloque queda definida por la intersección de la pirámide de las estructuras, JP, y la pirámide del espacio 21 definido por los planos libres, EP, de dicho bloque : BP PIRAMIDE DE ESTRUCTURAS

=

JP ! EP

(3.6)

: La pirámide de las estructuras (joint pyramid), JP, queda definida por la intersección de los semiespacios que definen las es21 tructuras que delimitan el bloque considerado . La JP de un bloque define la geometría “in situ” de éste (i.e. sin considerar los “cortes” debidos a la(s) cara(s) libre(s) de dicho bloque). Como se ilustra en el ejemplo de Figura 3.12 un bloque de un JP dado, o sea con una misma geometría “in situ”, puede variar su forma en distintas maneras, dependiendo de la forma en que lo “corte” un plano libre (e.g. la superficie de una excavación subterránea).

^ n 1

R R TE B SU

ctu ra

D A EA N A

Es tru

D VI

Estructura 2

A C

1

CAVIDAD SUBTERRANEA

JP 10 ^ n 2 D DA VI A C

EA AN RR E BT SU

Figura 3.12 : Ejemplos que muestran como un bloque con una misma geometría “in situ” (i.e. definido por un cierto JP), puede variar su forma dependiendo de como es “cortado” por un o más “planos libres” definidos por una cavidad subterránea

PIRAMIDE DEL ESPACIO DE LAS CARAS LIBRES

21

: La pirámide del espacio de las caras libres o pirámide de la excavación (excavation pyramid), EP, queda definida por la intersección de los semiespacios que definen los planos de las caras 21 libres del bloque considerado . La EP de un bloque define la

Esta definición supone que el bloque es convexo, pero facilita la comprensión del concepto. Goodman & Shi (1985) presentan el caso de bloques no convexos o cóncavos, y el mismo se tratará en el Segundo Informe de este trabajo, relativo a los tipos y modos de desplazamiento de los bloques que conforman el macizo rocoso (actualmente en preparación).

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geometría “visible” de éste (i.e. aquel(los) plano(s) donde el bloque aflora). DESCRIPCION TOPOLOGICA DE UN BLOQUE

110

: Para describir topológicamente un bloque es preciso considerar si éste se ubica “arriba” o “debajo” de las estructuras que lo definen. Para este propósito se considera que el bloque se ubica “arriba” de la “j-ésima” estructura si la normal a esta penetra dentro del bloque, y “debajo” si la normal sale desde el bloque hacia afuera. Luego, si se numeran en forma ordenada las distintas estructuras presentes en el macizo rocoso (y se mantiene el mismo orden durante todo el proceso de análisis), es posible definir en forma inequívoca las distintas JP que existen en el macizo rocoso asignando para cada estructura el dígito 0 si el bloque se ubica “arriba” de la estructura y el dígito 1 si el bloque se ubica “debajo” de ésta.

100 ESTRUCTURA 1

111

ES

TR

UC

TU

RA

2

010 ESTRUCTURA 3

011

101 000 001

Figura 3.13 : Ejemplo de la definición topológica de los JP que producen en el macizo rocoso 3 sistemas de estructuras ortogonales entre sí. En negrita se muestran los JP de los bloques que se ubican arriba de la estructura 1, y en plomo los JP de los bloques que se ubican debajo de esta estructura (la normal a cada estructura se muestra con una flecha).

Así, en el ejemplo de Figura 3.13 se tienen 3 sistemas de estructuras, ortogonales entre sí, que definen 8 posibles JP : JP 000 001 010 011 100 101 110 111

Posición c/r Estructuras 1 / 2 /3 Arriba / Arriba / Arriba Arriba / Arriba / Debajo Arriba / Debajo / Arriba Arriba / Debajo / Debajo Debajo / Arriba / Arriba Debajo / Arriba / Debajo Debajo / Debajo / Arriba Debajo / Debajo / Debajo

Este ejemplo también ilustra el hecho que los JP opuestos por el vértice son “primos” o tienen sus respectivos dígito cambiados : 000 y 111, 001 y 110, 011 y 100, 010 y 101.

Todo lo anterior sigue siendo válido si se incluyen también los planos libres, con lo que resulta la definición topológica inequívoca de los bloques presentes en el macizo rocoso. Esto se ilustra en el ejemplo bidimensional de Figura 3.14 en página siguiente, la cual muestra los JP y los BP. Finalmente, es muy importante señalar que al usar proyecciones estereográficas con punto focal inferior (o sea proyectando el hemisferio superior de la esfera), la región dentro del gran círculo que representa a una estructura dada corresponde al semiespacio que se ubica “arriba” de dicha estructura, y la región que se ubica fuera del círculo corresponde al semiespacio que se ubica “debajo” de dicha estructura (e.g. ver Goodman & Shi (1985)).

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SEMIESPACIO “ARRIBA” DE AMBAS ESTRUCTURAS

SEMIESPACIO “ARRIBA” DE LA ESTRUCTURA 1

SEMIESPACIO “ARRIBA” DE LA ESTRUCTURA 2

^ n 1 ^ n 3

^ n 2 JP 11 BP 11 - 0

EXCAVACION SUBTERRANEA ( ESPACIO LIBRE )

SEMIESPACIO “ABAJO” DE AMBAS ESTRUCTURAS

Figura 3.14 : Ejemplo bidimensional que ilustra la definición topológica de las JP y de los bloques presentes en el macizo rocoso.

4.

CONCEPTO Y ESCALAS DEL MACIZO ROCOSO

Como se definió en la sección anterior, el macizo rocoso es un volumen “importante” de roca que se encuentra intersectado, total y/o parcialmente, por estructuras geológicas; las cuales definen numerosos “bloques” de roca que, en conjunto, conforman el macizo rocoso. Luego, puede señalarse que el macizo rocoso está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corresponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Por lo tanto, parece evidente que el comportamiento mecánico del macizo rocoso dependerá de los siguientes factores : •

Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen (éstas serían similares a las de la roca intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca intacta, para los bloques de mayor tamaño).

•

Propiedades de las estructuras presentes en el macizo rocoso (de mucho menor competencia que la roca intacta), las que son especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la cinemática de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

•

Interacción del conjunto de bloques, la cual básicamente depende de su grado de “trabazón” y queda definida por la geometría del conjunto de bloques y la condición de contacto entre bloques adyacentes.

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PROBETA DE ROCA INTACTA

MACIZO ROCOSO A ESCALA “ 0” ( 10-1 m3 < Vol < 100 m3 )

AUMENTA EL EFECTO DE ESCALA

MACIZO ROCOSO A ESCALA “ 1” ( 100 m3 < Vol < 101 m3 ) MACIZO ROCOSO A ESCALA “ 2” ( 101 m3 < Vol < 102 m3 )

Figura 4.1 : Esquema que muestra el efecto del volumen de material considerado en el tipo de macizo rocoso, y la forma en que aumenta el efecto de escala al aumentar este volumen.

21

De esto resulta que el macizo rocoso puede presentar distintos tipos según sea el volumen de material que se considere, como se ilustra en el esquema de Figura 4.1; el cual muestra varios ejemplos de tipos de macizo rocoso : • Al considerar un volumen pequeño, -1 en el rango de 10 0 3 a 10 m , se tendrá un macizo rocoso a escala “0”; el cual si bien presenta algunos defectos ausentes en la roca intacta tiene, en términos generales, un comportamiento mecánico similar al de ésta.

• Al considerar un volumen pequeño a mediano, en el rango de 100 a 101 m3, se tendrá un macizo rocoso a escala “1”; el cual presenta más defectos que en el caso anterior y tiene un comportamiento mecánico menos competente que el de la roca intacta. • Al considerar un volumen mediano, en el rango de 101 a 102 m3, se tendrá un macizo rocoso a escala “2”; el cual presenta más defectos que en el caso anterior e incluso puede presentar algunos defectos “nuevos”, como sería el caso de la falla geológica ilustrada en el esquema de Figura 4.1, y tiene un comportamiento mecánico bastante menos competente que el de la roca intacta. Evidentemente, lo anterior puede continuarse y para los efectos de este trabajo se considerará válida la clasificación de “escalas” de macizo rocoso que se resume en Tabla 4.1 de página siguiente, la cual indica algunos aspectos tremendamente importantes asociados al concepto de macizo rocoso y dependientes de la escala o volumen de material que se considere : (1)

El concepto de macizo rocoso supone la presencia de “defectos” tales como estructuras geológicas, por lo que implícitamente se asocia también a una definición de roca intacta.

(2)

La definición usual de roca intacta sería válida hasta macizos rocosos de escala 5, o equiva4 5 3 lentes a volúmenes de 10 a 10 m de material. Para macizos rocosos de mayor escala, o 5 3 que involucren volúmenes de más de 10 m de material, la definición usual de roca intacta deja de ser válida y probablemente debería considerarse el comportamiento mecánico de un 3 volumen en el rango de 1 a 10 m de material como representativo de la roca intacta (obviamente, si se sigue aumentando el volumen de material considerado más allá de las escalas indicadas en Tabla 4.1 habrá que introducir nuevos cambios en la definición de roca intacta).

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22

Tabla 4.1 ESCALAS DE MACIZOS ROCOSOS Y VOLUMENES DE MATERIAL CONSIDERADO Escala del Macizo Rocoso

Volumen de Material 3 V (m ) -1

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10

6 7 8

10 a 10 6 7 10 a 10 7 8 10 a 10

(3)

a a a a a a

0

0 1 2 3 4 5

5

10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6

VMACIZO / VROCA

1

2×10 2 2×10 3 2×10 4 2×10 5 2×10 6 2×10

Roca Intacta

Comentarios

Definición usual, equivalente a volumen de -4 -3 3 10 a 5×10 m

Son válidas las relaciones empíricas comúnmente empleadas para evaluar el efecto de escala

Posiblemente equivalente a un 3 volumen de 1 a 10 m

No necesariamente son válidas las relaciones anteriores

INTACTA

3

a a a a a a

8×10 4 8×10 5 8×10 6 8×10 7 8×10 8 8×10

4

6

2×10 a 8×10 5 7 2×10 a 8×10 6 8 2×10 a 8×10

Las relaciones empíricas comúnmente empleadas para evaluar el efecto de escala (e.g. ver Hoek & Brown (1997)) se basan principalmente en una base de datos asociada a túneles, en el caso de la resistencia del macizo rocoso; y a represas, en el caso de la deformabilidad del macizo rocoso. Por lo tanto, estas relaciones no necesariamente serían válidas para ma7 3 cizos rocosos de escala 6 o superior, los que involucran volúmenes de más de 10 m de material.

5 30 m

7 150 m

m 30

50 m

4 10 0

m

8m

100 m

15

m

15 m

Figura 4.2 : Esquema que muestra como, dependiendo del problema a analizar, pueden considerarse macizos rocosos a distinta escala y donde los macizos de menor escala corresponde a partes o sub-volúmenes de los macizos rocosos de mayor escala. En este ejemplo se muestran macizos de escala 7 6 7 3 4 5 3 3 4 3 (10 a 10 m ), escala 5 (10 a 10 m ), y escala 4 (10 a 10 m ) (modificada de Pusch (1994)).

Todo lo anterior se resume en el esquema de Figura 4.2; el cual muestra como un mismo macro volumen puede considerarse como macizos rocosos a distinta escala, de acuerdo al problema particular que se esté analizando. Así, por ejemplo, si se desea evaluar el volumen de roca afectado por el inicio del caving en un nuevo sector productivo probablemente deberá considerarse un macizo rocoso escala 6 7 3 7 (10 a 10 m ); por otra parte, si se desea evaluar la estabilidad de unas calles y zanjas probablemente deberá considerarse un macizo ro4 5 3 coso escala 5 (10 a 10 m ), que puede corresponder a una parte del macizo escala 7; finalmente, si se debe estudiar la estabilidad de una labor en particular probablemente deberá considerarse un macizo ro3 4 3 coso escala 4 (10 a 10 m ), que puede corresponder a una parte del macizo escala 5.

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23

ESCALA Y ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS

En la medida que aumenta la escala del macizo rocoso no solo aumenta el número de estructuras geológicas presentes en éste, sino que también aumente el tipo de estructuras con plausibilidad de ocurrencia. Así, un macizo rocoso escala 0 difícilmente incluirá fallas geológicas, pero un macizo rocoso escala 8 puede incluir no solo una sino varias fallas geológicas. Conforme con lo anterior, resulta también conveniente definir un orden para las estructuras geológicas que podrían estar presentes en el macizo rocoso y, para este propósito, se aceptará la proposición de Pusch (1994,95), la cual se resume en Tabla 5.1 de página siguiente y merece los siguientes comentarios :

22

•

El “orden” indica la escala de la estructura, y queda definido por su persistencia o extensión en el sentido de su traza.

•

Las estructuras “de primer orden” corresponden a estructuras mayores y que resultan relevantes para la estabilidad de labores subterráneas, mientras que las estructuras “de orden superior” corresponden a estructuras menores o poco relevantes para la estabilidad de las labores subterráneas.

•

Desde un punto de vista práctico basta con definir 7 ordenes de estructuras : −

Estructuras de orden 1 a 4; corresponden a estructuras mayores, con persistencias de decenas de m o incluso mayores, e importantes en lo que dice relación con la estabilidad de cavidades subterráneas.

−

Estructuras de orden 5; corresponden a estructuras intermedias, con persistencias en el rango de 1 a 10 m, y relativamente poco importantes en lo que dice relación con la estabilidad de cavidades subterráneas.

−

Estructuras de orden 6 y 7; corresponden a estructuras menores, con persistencias de menos de 1 m, y no importantes en lo que dice relación con la estabilidad de cavidades subterráneas.

•

En general la resistencia de la estructura disminuye al aumentar su persistencia, por lo que las estructuras mayores son menos resistentes que las intermedias y éstas, a su vez, son 22 menos resistentes que las estructuras menores .

•

Usualmente la potencia del relleno es mayor en las estructuras mayores.

•

En general la plausibilidad de encontrar rellenos blandos y débiles es mayor en las estructuras de menor orden, especialmente en lo que dice relación con la presencia de minerales arcillosos.

Debe entenderse que los valores que se reseñan en Tabla 5.1, para el ángulo de fricción de las estructuras de distinto orden, corresponden solo a una estimación criteriosa de su rango probable y no eliminan la necesidad de una evaluación detallada cuando se estudie algún tipo de estructura en particular.

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24

Tabla 5.1 ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y SUS CARACTERISTICAS (en base a Pusch (1994,95))

Orden

Persistencia (m)

Espaciamiento (m)

Espesor del Relleno ( cm )

Angulo de Fricción Peak Residual

φJPEAK

φJRES

Características Típicas

ESTRUCTURAS MAYORES, MUY IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE CAVIDADES SUBTERRANEAS 4

3

20 a 1000

15º a 25º

15º a 20º

10 a 3 10

2

5 a 500

20º a 25º

15º a 20º

10 a 2 10

1

2 a 200

25º a 30º

20º a 25º

0

0,5 a 50

30º a 40º

25º a 30º

1

> 10

2

10 a 4 10

3

3

10 a 3 10

2

4

10 a 2 10

1

10 a 1 10

> 10

Estructuras de tipo regional, con persistencias de decenas de km y espaciamientos del orden de km. Su ancho puede alcanzar varios m y usualmente presentan rellenos de tipo salbanda arcillosa. Generalmente presentan una condición de resistencia residual por haber sufrido grandes desplazamientos. Dilatancia muy baja. Estructuras mayores con persistencias de km y espaciamientos del orden de cientos de m. Son similares a las Estructuras de Orden 1 pero su ancho es menor y, generalmente, también su relleno presenta un menor contenido de arcillas. Generalmente presentan una condición de resistencia residual y una dilatancia muy baja. Estructuras de tipo local pero con persistencias de cientos de m y espaciamientos típicamente en el rango de 30 a 150 m Algunas veces presentan rellenos de tipo granular y otras rellenos arcillosos. A veces presentan pátinas de clorita y se encuentran en condición de resistencia residual. Su dilatancia es generalmente baja. Estructuras locales con persistencias de decenas de m y espaciamientos típicos en el rango de 2 a 10 m. Pese a que usualmente son lisas, muchas veces presentan ondulaciones que aumentan su fricción peak. Cuando no son lisas y planas su resistencia al corte baja considerablemente, especialmente si contienen pátinas de clorita. Su dilatancia es baja a media.

ESTRUCTURAS INTERMEDIAS, POCO IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE CAVIDADES SUBTERRANEAS

5

0

10 a 1 10

-1

10 a 0 10

0,1 a 2

35º a 50º

30º a 35º

Estructuras locales con persistencias no mayores que 1 m y espaciamientos típicos en el rango de 0,2 a 1 m. Constituyen la gran mayoría de las estructuras visibles en las cajas de las labores subterráneas. Pueden ser muy rugosas y con una resistencia peak media a alta. Su dilatancia es media a alta.

ESTRUCTURAS MENORES, NO IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE LAS LABORES SUBTERRANEAS -1

6

10 a 0 10

7

< 10

-1

-2

10 a -1 10

< 10

-2

0,05 a 0,2

40º a 60º

35º a 40º

< 0,1

---

---

Estructuras de escala pequeña que usualmente corresponden a vetillas o fisuras selladas con distintos tipos de relleno. Pueden ser rugosas o lisas. Su resistencia al corte es alta y presentan usualmente dilatancia media a alta. Estructuras de escala muy pequeña que usualmente corresponden a vetillas o fisuras selladas con distintos tipos de relleno. En general son lisas, pro están bastante trabadas, por lo que su resistencia al corte probablemente es alta a muy alta, al igual que su dilatancia.

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25

En la práctica, la gran mayoría de las estructuras que se registra en los mapeos geológicogeotécnicos de labores subterráneas son de orden 5 (i.e. con persistencias en el rango de 1 a 10 m); por lo que la mayoría de las relaciones empíricas utilizadas para calificar geotécnicamente el macizo rocoso se basan en macizos rocosos a una escala tal que están afectados principalmente por estructuras de este orden (i.e. macizos con escalas en el rango de 3 a 5).

5 30 m

7 150 m

m 30

50 m

4 10 0

m

8m

100 m

15

m

15 m

Figura 5.1 : Esquema que muestra como, dependiendo del problema a analizar, pueden considerarse macizos rocosos a distinta escala y donde los macizos de menor escala corresponde a partes o sub-volúmenes de los macizos rocosos de mayor escala. Además, se observa que las estructuras “relevantes” dependen de la escala del macizo rocoso. En este ejemplo se muestran 6 7 3 4 5 3 3 macizos de escala 7 (10 a 10 m ), escala 5 (10 a 10 m ), y escala 4 (10 a 4 3 10 m ) (modificada de Pusch (1994)).

Por lo tanto, se debe ser especialmente cuidadoso al evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso usando los métodos tradicionales; ya que como se indica en el esquema de Figura 5.1, las estructuras que resultan relevantes para definir el macizo rocoso a escala 4 resultan poco relevantes para definir un macizo rocoso a escala 5, y son francamente irrelevantes para definir un macizo rocoso a escala 7. Conforme con esto, puede señalarse que la base de datos estructurales a utilizar en la caracterización del macizo rocoso depende de la escala del macizo rocoso considerado y, por lo tanto, el uso indiscriminado de una misma base de datos estructurales para calificar macizos a distintas escalas puede producir resultados poco confiables.

6.

PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

6.1.

Generalidades

Como se ha indicado en las secciones anteriores de este informe, el macizo rocoso es un volumen “importante” de material que está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corresponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Conforme con esto, el comportamiento mecánico del macizo rocoso dependerá de los siguientes factores : •

Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen (éstas serían similares a las de la roca intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca intacta, para los bloques de mayor tamaño).

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26

•

Propiedades de las estructuras presentes en el macizo rocoso (de mucho menor competencia que la roca intacta), las que son especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la cinemática de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

•

Interacción del conjunto de bloques, la cual básicamente depende de su grado de “trabazón” y queda definida por la geometría del conjunto de bloques y la condición de contacto entre bloques adyacentes.

Si bien lo anterior parece lógico y, de hecho, constituye la base “filosófica” en que se apoyan los métodos actualmente en uso para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso (como se discute más adelante en este informe), en la práctica es usual que se ignore una serie de hechos que deben tenerse presentes para lograr una adecuada caracterización geomecánica del macizo rocoso : (1)

El concepto de “macizo rocoso” considera, implícita o explícitamente, la presencia de “defectos” (usualmente discontinuidades) que están ausentes en la “roca intacta”. Por lo tanto, en rigor no es posible separar los conceptos de macizo rocoso - defectos - roca intacta.

(2)

El concepto de “defectos” implícitamente lleva asociado un concepto de escala o tamaño (nadie consideraría microfracturas parta caracterizar un macizo rocoso a escala 7 y, por otra parte, no es posible incluir una familia de fallas geológicas en la caracterización de un macizo rocoso a escala 4). Por lo tanto, los “defectos a ser considerados” dependen de la escala del macizo rocoso que se considere.

(3)

Conforme con (1) y (2) resulta que el concepto generalizado de “roca intacta” también depende de la escala del macizo rocoso que se considere. De hecho, la definición usual de roca intacta (ver Sección 3 de este informe), sería válida para macizos rocosos hasta de escala 5, y dejaría de ser válida para macizos rocosos a mayor escala.

Teniendo presente las observaciones anteriores, en lo que sigue se presenta una breve reseña de los métodos utilizados para caracterizar el comportamiento mecánico del macizo rocoso, considerando en primer lugar los modelos físicos y luego el uso de relaciones empíricas.

6.2.

Modelos Físicos y Ensayos de Laboratorio

El considerar el macizo rocoso como un conjunto de bloques permite el desarrollo de modelos físicos para estudiar su comportamiento mecánico; sin embargo, el volumen de un bloque cualquiera, así como su forma, dependerá de la orientación espacial de las estructuras que lo delimitan y del espaciamiento entre éstas; pudiendo encontrarse en el macizo rocoso bloques : •

de igual forma e igual volumen

•

de igual forma pero distinto volumen

•

de distinta forma pero igual volumen

•

de distinta forma y distinto volumen

Dependiendo de la forma como se incorpore la variabilidad de la geometría del conjunto de bloques, será posible desarrollar modelos físicos de distinto grado de complejidad y que se asemejan en mejor o peor forma al macizo rocoso que se desea modelar.

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27

Tabla 6.1 TIPOS DE MODELOS FISICOS DEL MACIZO ROCOSO Sistemas de Discontinuidades

El espaciamiento entre discontinuidades de todos los sistemas es constante (bloques de igual volumen)

El espaciamiento entre discontinuidades de al menos un sistema es variable (bloques de distinto volumen)

Tipo de Discontinuidades

1 2 3

Todas lisas

Al menos un sistema es rugoso

Todas lisas

Al menos un sistema es rugoso

Modelo CL -1 Modelo CL -2 Modelo CL -3

Modelo CR -1 Modelo CR -2 Modelo CR -3

Modelo VL -1 Modelo VL -2 Modelo VL -3

Modelo VR -1 Modelo VR -2 Modelo VR -3

Luego es posible clasificar los tipos de modelo físico del macizo rocoso según la forma como éstos consideren la geometría del arreglo de bloques y su condición de contacto, definida en términos de la rugosidad de las discontinuidades que definen las caras de los bloques, como se muestra en Tabla 6.1. Desde fines de los años 50 se han desarrollado numerosos estudios de laboratorio para evaluar el comportamiento de macizo rocosos mediante el ensaye probetas con una o más discontinuidades y, también, de modelos físicos constituidos por conjuntos de bloques. Algunos de estos modelos se ilustran en Figura 6.1 de página siguiente, y en Tabla 6.2 se presenta un resumen de alguno de estos ensa23 yos y sus principales características .

(a) Modelos ensayados por Lama (1974).

(b) Modelos ensayados por Einstein et al. (1969)

Figura 6.1 : Ejemplos de algunos modelos físicos de bloques que han sido ensayados en laboratorio. (c) Modelos ensayados por Brown (1970)

23

Este resumen es el resultado de 3 días de trabajo en la biblioteca, por lo que en ningún caso pretende incluir todos los ensayos de este tipo que han sido publicados en la literatura técnica.

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Tabla 6.2 ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES Año

Referencia

Tipo de Modelo

Descripción

1958

Price

CL -1

1959

Berenbaum & Brodie

CL -2

1963

Donath

CL -1

1964

Hobbs

CL -1

1965

Müller & Pacher

CL -1

1966

Boretti-Onyszkiewicz

CL -1

Goldstein et al.

CL -3

Hayashi

CL -1

Krsmanovic et al.

CL -1

Youash

CL -1

1967

Lajtai

CR -1

1968

Horino

CL-1

1969

Bamford

CL -1

Dube & Singh

CL -1

Einstein et al.

CL -1 & CL -3

John

CL -2

Akai et al.

CL -1

Daire

CL -1

Probetas de arenisca con planos de estratificación ensayadas, para distintas orientaciones de los planos de estratificación, en COMPRESION TRIAXIAL. Discos de carbón con 2 sistemas de discontinuidades ortogonales (cleats), ensayados en TRACCION INDIRECTA (carga diametral), para distintas orientaciones de las discontinuidades. Probetas de pizarra ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL para distintas orientaciones de los planos de clivaje. Discos de areniscas, limonitas y lutitas con planos de estratificación, ensayados en TRACCION INDIRECTA (carga diametral) para distintas orientaciones de las discontinuidades. Probetas prismáticas (70 cm x 70 cm x 30 cm), con un sistema de discontinuidades, ensayadas en COMPRESION BIAXIAL. Probetas de arenisca con planos de estratificación; en condición seca y en condición saturada, para distintas orientaciones respecto a la dirección de carga, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas prismáticas de cubos (2 cm x 2 cm x 2 cm) de mortero, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas razones entre el tamaño de la probeta (L) y el tamaño de los cubos (l = 2 cm). Probetas prismáticas de mortero con una o más discontinuidades, paralelas entre si y ubicadas en la zona central de la probeta, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL, TRACCION INDIRECTA (flexión) y CORTE DIRECTO. Probetas de caliza con planos de estratificación y/o de diaclasamiento, ensayadas en CORTE DIRECTO en la dirección de los planos pero para distintas extensiones de éstos (i.e. con “puentes” de roca de distinto tamaño). Probetas de arenisca, esquistos y gneis con planos de estratificación o esquistosidad ubicados con distinta orientación respecto a la dirección de carga, ensayadas en TRACCION DIRECTA y en COMPRESION TRIAXIAL. Probetas de mortero con discontinuidades dentadas y orientaciones de 30º a 50º respecto a la dirección de carga, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas de arenisca, caliza y granito, con discontinuidades inclinadas de 0º a 57º c/r a la horizontal. Cuando la misma probeta tenía 2 discontinuidades, la razón entre la distancia entre discontinuidades y el diámetro de la probeta tenia valores de 0.25, 0.5 y 1. Se ensayaron en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas de limonita con planos de estratificación con inclinaciones de 15º a 75º c/r la horizontal, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Discos de arenisca con planos de estratificación, ensayados en TRACCION INDIRECTA (carga diametral) para distintas orientaciones de los planos de estratificación. Probetas prismáticas con 1 o 3 sistemas de discontinuidades (ortogonales), de yeso y mortero, ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL (para una misma configuración, se ensayaron probetas con bloques de distinto tamaño). Probetas prismáticas con 2 sistemas de discontinuidades, contínuas y discontinuas (i.e. con “puentes de roca”), Probetas de esquisto cristalino ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientaciones entre los planos de esquistosidad y la dirección de carga. Probetas de esquisto ensayadas en TRACCION INDIRECTA (flexión) para distintas orientaciones de los planos de esquistosidad.

1970

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Tabla 6.2 ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES ( continuación)

Año

Referencia

Tipo de Modelo

Descripción

1970

Brown Brown & Trollope

CL -3 & CR -3

Lajtai

CL -1

Kawamoto

CR -1

Motoyama & Hirschfeld

CL -3

Walker

CL -1

Pomeroy et al.

CL -3

Lama

CL -1 & CL -3

Gonano

CL -3

1975

Lama

CL -3

1976

Lama & Gonano

CL -3

1978

Reik & Zacas

CL -3

1979

Shiryaev et al.

CL -2

1991

Huang & Yang

1993

Archambault & Ladanyi

CL -1 & CL -3 CL -2

Probetas prismáticas (8” x 4” x 4”) formadas con bloques definidos por 3 sistemas de discontinuidades (bloques de sección cuadrangular y de sección hexagonal), ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL para distintas orientaciones y distintas densidades de bloques (se consideran los casos de discontinuidades persistentes y con “puentes de roca”). Probetas con discontinuidades ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas de mortero con un sistema de discontinuidades que presentan “puentes de roca”, ensayadas en CORTE DIRECTO pra distintas orientaciones de las discontinuidades. Probetas prismáticas de mortero conformadas por bloques de caras ortogonales y a 45º, con distintas densidades de discontinuidades, ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL. Probetas prismáticas formadas por laminas de mortero, colocadas horizontalmente o verticalmente, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintos valores de la razón entre el ancho de la probeta y el espesor de las láminas. Probetas de carbón con 3 sistemas de discontinuidades (aprox. ortogonales) ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL y COMPRESION TRIAXIAL, para distintas orientaciones de las discontinuidades. Probetas prismáticas con 1 o 3 sistemas de discontinuidades (ortogonales), conformadas por materiales de distinta resistencia y configuradas para distintas densidades de bloques (i.e. en cada probeta los bloques tenían el mismo tamaño pero se prepararon probetas con distinto tamaño de los “bloques unitarios”), ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas prismáticas conformadas por bloques cúbicos y ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas prismáticas conformadas por bloques definidos por 3 sistemas ortogonales de discontinuidades, el principal de los cuales es inclinado c/r a la dirección de carga, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas prismáticas conformadas por bloques cúbicos y ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL. Probetas prismáticas con bloques definidos por 3 sistemas ortogonales de discontinuidades, ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL VERDADERA (i.e. no axisimétrica). Probetas prismáticas conformadas por bloques rectangulares ensayadas en COMPRESION BIAXIAL , para distintas orientaciones de las discontinuidades principales. Probetas prismáticas de mortero con 1 y 3 sistemas de discontinuidades ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientaciones de los sistemas de discontinuidades.

1994

Ramamurthy & Arora

CL -1

1995

Yang & Huang

1997

Kulatilake et al.

CL -1 & CL -3 CL -3

1971

1974

Probetas prismáticas de bloques rectangulares ensayadas en CARGA BIAXAIL para estudiar el desarrollo de fallas tipo kink band en macizos rocosos fracturados. Probetas cilíndricas de arenisca y mortero, con discontinuidades en distintas orientaciones, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL Y COMPRESION TRIAXIAL. Probetas prismáticas de mortero con 1 y 3 sistemas de discontinuidades ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientaciones de los sistemas de discontinuidades. Probetas prismáticas formadas por bloques de caras no ortogonales, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL, para distintas orientaciones de los sistemas de discontinuidades.

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30

Los resultados de todos estos ensayos de laboratorio han permitido concluir lo siguiente respecto al comportamiento mecánico de materiales compuestos por conjuntos de bloques : (1)

Como se muestra en el ejemplo de Figura 6.2, la presencia de discontinuidades disminuye o hace menos competentes las propiedades mecánicas de la roca intacta y, si existen varios sistemas de discontinuidades que definen bloques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda definida por un único sistema de discontinuidades).

Figura 6.2 : Envolventes de falla de Mohr-Coulomb obtenidas para probetas de yeso “intactas”, con discontinuidades y con bloques (tomada de Einstein et al. (1969)).

(2)

Como se ilustra en el ejemplo de Figura 6.3, la presencia de discontinuidades que definen bloques induce un comportamiento anisotrópico, que puede llegar a ser muy notable y queda definido, usualmente, por la dirección de las discontinuidades más débiles, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las discontinuidades más blandas, en lo que se refiere a compresibilidad.

(3)

Como se ilustra en el ejemplo de Figura 6.4 de página siguiente, a medida que aumenta el número de sistemas o familias de discontinuidades, la anisotropía inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del material se hace más isotrópico. De hecho, la anisotropía suele ser máxima cuando existe un único sistema de discontinuidades que es claramente dominante.

Figura 6.3 : Caso de resistencia anisotrópica debido a discontinuidades que definen bloques. Nótese que para niveles bajos del esfuerzo normal existe un segundo eje de anisotropía, el que desaparece al aumentar el esfuerzo normal (tomada de Walker (1971)).

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(b) 3 discontinuidades a 60º

(a) 2 discontinuidades a 90º

31

(c) 4 discontinuidades a 45º

Figura 6.4 : Ejemplo que muestra como al aumentar el número de sistemas de discontinuidades disminuye la anisotropía de una probeta cargada en compresión triaxial (tomada de Hoek & Brown (1980)).

(4)

El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que también de la geometría de éstos. Como ejemplo, puede señalarse que para las configuraciones de bloques que se muestran en Figura 6.5 (a) y (b), Brown (1970,76) obtuvo las curvas carga deformación que se muestran en Figuras 6.6 y 6.7 de páginas siguientes.

(a)

Figura 6.5 : Configuraciones de bloques ensayadas por Brown (1970,76).

(b)

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32

Figura 6.6 : Variación de la fuerza axial, FA, del cambio de volumen, ∆V, y del cambio de ancho, ∆U, en función de la deformación axial, ∆L, según los resultados obtenidos por Brown (1976) para probetas con las configuraciones de bloques indicadas en Figura 6.5.a.

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33

Figura 6.7 : Curvas esfuerzo desviatórico versus deformación axial obtenidas por Brown (1976) para probetas con las configuraciones de bloques indicadas en Figura 6.5.b. De izquierda y arriba hacia la derecha y abajo : (a) probetas tipo T60, (b) probetas tipo T45, (c) probetas tipo H60, (d) probetas tipo H45, y (e) probetas tipo H30.

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34

La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocurrencia de modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica definida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o inestabilidades tipo “kink band”, ilustrada en el ejemplo de Figura 6.8.

(b) Ejemplos de falla tipo “kink band” obtenidas en modelos de bloques con inclinaciones de 45º, 30º y 15º respecto a la vertical (de izquierda a derecha), bajo aproximadamente la misma presión de confinamiento (1,7 MPa) y ensayados en compresión biaxial.

(a) Geometría de una falla tipo “kink band” ideal en una roca fracturada (tomada de Donat (1968)).

Figura 6.8 : Ejemplo de fallas tipo “kink band” en un medio formado por bloques (tomada de Archambault & Ladanyi (1993)).

(c) Resultados de ensayos de compresión biaxial sobre probetas formadas por bloques, que muestran como la ocurrencia de fallas tipo “kink band” se traduce en una disminución de la resistencia “teórica” asociada únicamente al efecto de las discontinuidades (Dominio III).

(6)

Como se ilustra en los ejemplos de Figuras 6.9 y 6.10 de página siguiente, dependiendo de las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resistencias de la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura puede ser o no influenciada por la orientación de las discontinuidades y puede comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.

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35

Figura 6.9 : Distintos modos de falla en probetas conformadas por bloques : (a) Apertura de discontinuidades, deslizamiento de bloques, y falla por tracción en la “roca intacta”; (b) apertura de discontinuidades, deslizamiento y rotación de bloques; y, (c) apertura de discontinuidades, deslizamiento de bloques y falla por tracción y por corte en la “roca intacta” (tomada de Kulatilake et al. (1997)).

(a) Apertura de discontinuidades, deslizamiento y rotación de bloques y también falla por tracción en la “roca intacta” .

(b) Apertura de discontinuidades, deslizamiento y rotación de bloques, con el desarrollo de un falla tipo “kink band” en el centro.

Figura 6.10 : Distintos modos de falla en modelos de bloques ensayados por Lama (1975).

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36

Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento cargadeformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga, como se ilustra en el esquema de Figura 6.11.

CASO : Tipo de Deformación Predominante Forma de la Curva Carga-Deformación Histéresis Expansión Lateral

(a) Normal Cóncava Pequeña Pequeña

(b) Ambos Lineal Media Media

(c) Corte Convexa Grande Grande

Figura 6.11 : Ejemplos de distintos comportamientos carga-deformación en función de la importancia relativa de las deformaciones normales y de corte (tomada de Barton (1986)).

Todo lo anterior se traduce en que la evaluación de las propiedades mecánicas del macizo rocoso es un proceso complejo y que requiere el análisis el análisis detallado de las condiciones particulares que definen el macizo rocoso a analizar, especialmente en lo que dice relación con su escala (i.e. el volumen de material considerado), los sistemas estructurales presentes (de un orden adecuado a la escala del macizo), el arreglo geométrico de bloques y la(s) cara(s) libre(s) (definen las posibilidades cinemáticas de falla), las propiedades mecánicas de la “roca intacta” y de las estructuras (definidas conforme a la escala del macizo). Desgraciadamente, en la práctica lo más frecuente es encontrar que se ignora (al menos explícitamente) todo esto, y para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso se procede únicamente a “escalar” las propiedades de la “roca intacta” (conforme con la definición usual), mediante alguna correlación de tipo empírico, como se discute en la siguiente sección de este informe.

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A. Karzulovic & Asoc. Ltda. 6.3.

37

Evaluación de las Propiedades Mecánicas del Macizo Rocoso : Efecto de Escala

Actualmente la práctica habitual para estimar las propiedades mecánicas del macizo rocoso es “escalar” las propiedades de la roca intacta mediante alguna correlación, usualmente empírica, que permita considerar la “calidad geotécnica” del macizo rocoso como escala de calificación para la degradación o “castigo” de las propiedades de la roca intacta. En Tabla 6.3 de página subsiguiente se presenta un resumen de algunos de estos métodos 24 empíricos , con indicación de la información que requieren y de el resultado que entregan, de acuerdo con las siguientes denominaciones o símbolos : a

Parámetro del criterio de falla generalizado de Hoek - Brown

CU

Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (definición usual de roca intacta)

CU

Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (definición usual de roca intacta)

B

Ancho o diámetro de la cavidad subterránea

c

Cohesión de la roca intacta

cRM

Cohesión de macizo rocoso

CP

Resistencia en compresión del pilar

CURM

Resistencia en compresión no confinada del macizo rocoso

D

Ancho del pilar

DESDIS

Descripción de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso

DESMAS

Descripción del macizo rocoso

DRMS

Resistencia de diseño del macizo rocoso, según Laubscher

E

Módulo de deformabilidad de la roca intacta

ERM

Módulo de deformabilidad del macizo rocoso

f

Frecuencia predominante con que se propaga en el macizo rocoso una onda de corte generada con un golpe de martillo y registrada a una distancia de 30 m

FF

Frecuencia lineal de fracturas en el macizo rocoso (fract./m)

GSI

Indice de resistencia geológica definido por Hoek et al. (1995)

H

Altura del pilar

L

Extensión de la arista del volumen considerado como macizo rocoso (i.e. es la raíz cúbica del volumen de material que comprende el macizo rocoso)

mb

Parámetro m del criterio generalizado de Hoek-Brown para el macizo rocoso fracturado

mi

Parámetro m del criterio generalizado de Hoek-Brown para la roca intacta

Q

Indice de calidad geotécnica de Barton et al. (1974)

24

Este resumen es el resultado de 1 día de trabajo en la biblioteca, por lo que en ningún caso pretende incluir todos los métodos de evaluación de propiedades mecánicas del macizo rocoso que han sido publicados en la literatura técnica.

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38

RQD

Indice de designación de la calidad de la roca

RMRB

Indice de calidad geotécnica propuesto por Bieniawski

RMRL

Indice de calidad geotécnica propuesto por Laubscher

RMS

Resistencia del macizo rocoso, según Laubscher

RH

Radio hidráulico de la sección transversal (horizontal) del pilar

s

Parámetro del criterio de falla generalizado de Hoek - Brown

sJ

Espaciamiento medio de las discontinuidades que definen los bloques de tamaño típico en el macizo rocoso considerado

S

Razón entre el ancho y la altura del pilar

V

Volumen del pilar

φ

Angulo de fricción de la roca intacta

φRM

Angulo de fricción del macizo rocoso

σCI

Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta según el criterio de Hoek - Brown (en general es algo menor que CU)

De todos los métodos reseñados en Tabla 6.3, la tendencia actual es utilizar el método generalizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser correcto, ya que :

25

•

La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesariamente 25 concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos métodos .

•

El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores menores de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

•

En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla geológica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen planos de cizalle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de hacer esto no ha sido explícitamente definida.

•

Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comportamiento isotrópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructural que tenga influencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evidentemente, existen muchos casos en que esto no es así.

Las escalas de aplicabilidad que se indican en Tabla 6.3 corresponden a una estimación del autor de este informe, ya que en la gran mayoría de los trabajos citados en dicha tabla no se indica explícitamente la escala de aplicabilidad.

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39

Tabla 6.3 METODOS PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO Característica Mecánica

Método

Información Requerida

Resultado Entregado

Resistencia en compresión uniaxial de pilares de roca (i.e. macizos rocosos de orden no mayor que 3)

Holland (1942) Obert et al. (1946) Gaddy (1956) Holland & Gaddy (1957) Obert & Duvall (1967) Bieniawski (1967,70) Lama (1971) Van Heerden (1974) Hustrulid (1976) Salamon & Oravecz (1976) Hardy & Agapito (1977) Hedley (1978) Bieniawski (1983) Wagner & Madden (1984) Stacey & Page (1986)

CU , RH , H CU , D , H , V CU , RH , H CU , D , H CU , S , V DRMS , RH , H

Resistencia en compresión uniaxial del macizo rocoso

Protodyakonov (1964) Hendron & Aiyer (1972) Laubscher (1977) Stille et al. (1982)

CU , L , sJ CU , B , sJ CU , RMRL RMRL

Resistencia del macizo rocoso

Popov (Komarnitskii (1968)) Manev & Avramova-Tacheva (1970) Bieniawski (1976, 79) Stimpson & Ross-Brown (1979)

DESDIS c , FF RMRB DESMAS

cRM , φRM φRM

Hoek & Brown (1997)

mi , σCI , GSI

mb , s , a

Deere et al. (1967)

E , RQD f RQD RMRB Q RMRB σCI , GSI

Deformabilidad Schneider (1967) , Bieniawski (1978) Coon & Merritt (1970) del Bieniawski (1978) macizo Barton (1983) rocoso Serafim & Pereira (1983) Hoek & Brown (1997)

Rango de Aplicación Carbón Rocas cristalinas de grano fino Carbón

CU , D , H Rocas duras

CP

Carbón

Carbón Esquistos bituminosos Rocas muy competentes Carbón Arenisca Rocas varias

CURM

Macizos de orden ≤ 3 Macizos de orden ≤ 4 Rocas duras competentes, macizos de orden ≤ 4

cRM Macizos de orden ≤ 4 Minas rajo abierto cobre porfídico, macizos de orden ≤ 4 Macizos de orden ≤ 5 Macizos de orden ≤ 4 Macizos de orden ≤ 3

ERM

Macizos de orden ≤ 4

Rocas con σCI < 100 MPa, macizos de orden ≤ 4

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Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas fracturas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícitamente definido, pero Karzulovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el criterio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos.

Por lo tanto puede concluirse que, como se ilustra en el esquema de Figura 6.12, los métodos actualmente utilizados “en forma estándar” para evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de estructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no influyen la cinemática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. ROCA INTACTA ( HOEK - BROWN APLICABLE )

MACIZO ROCOSO CON UN UNICO SISTEMA ESTRUCTURAL ( H - B NO APLICABLE )

MACIZO ROCOSO CON DOS SISTEMAS DE ESTRUCTURAS ( H - B APLICABLE EN ALGUNOS CASOS, CON MUCHO CUIDADO )

MACIZO ROCOSO FRACTURADO ( H - B APLICABLE)

MINERIA SUBTERRANEA

MINERIA A RAJO ABIERTO MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO ( H - B APLICABLE )

Figura 6.12 : Esquema que muestra la aplicabilidad del criterio de Hoek-Brown (tomada de Hoek et al (1995)).

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TEOREMA DE SHI

Dado que en este trabajo se acepta, como hipótesis básica, que el macizo rocoso está formado por bloques; y en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre modelos constituidos por bloques que se han publicado en la literatura técnica (ver Sección 6.2), se ha concluido que eventuales desplazamientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del macizo rocoso; resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos desplazamientos. En la Sección 3 de este informe se indicó que de todos los tipos de bloques que podían existir en el macizo rocoso sólo los bloques removibles tenían la posibilidad cinemática de desplazamiento. Por lo tanto, el poder definir cuales son los bloques removibles es equivalente a definir la posibilidad de que ocurran desplazamientos de bloques. Afortunadamente, esto es posible mediante el Teorema de Shi, el cual establece que :

LA CONDICION NECESARIA PARA QUE UN BLOQUE DADO SEA REMOVIBLE ES QUE SU JP NO SEA IGUAL AL CONJUNTO VACIO Y QUE LA INTERSECCION DE SU JP CON EL EP SEA IGUAL AL CONJUNTO VACIO : JP ≠

φ

∧

JP ! EP =

φ

(7.1)

La demostración de este teorema puede encontrarse en el libro de Goodman & Shi (1985), y en lo que sigue de este trabajo se aceptará y utilizará el Teorema de Shi como la herramienta que permite definir, para los bloques existentes en el macizo rocoso considerado y para el problema a analizar, cuales bloques son removibles.

8.

MODELO GEOMECANICO PROPUESTO PARA EL MACIZO ROCOSO PRIMARIO DE EL TENIENTE

El macizo rocoso primario de Mina El Teniente se caracteriza por ser masivo y presentar un arreglo tipo stockwork de discontinuidades selladas. Estas estructuras, las cuales se ilustran en Figuras 8.1 y 8.2 de página siguiente, son mayoritariamente de orden 5 (o sea con persistencias en el rango de 0 1 10 a 10 m), las cuales presentas espesores que varían generalmente en el rango de 1 a 30 mm y presentan rellenos generalmente más débiles que la roca de caja y que varían según sea el tipo de alteración que afecta al macizo rocoso considerado (anhidrita, biotita, bornita, calcita, calcopirita, clorita, cuarzo, epidota, molibdenita, ortoclasa, pirita, sericita, turmalina, etc.). Sin perjuicio de lo anterior, aparecen también estructuras mayores, de orden 4 y 3, que pese a observarse selladas muestran, al quedar expuestas, espejos de falla; lo que indica que presentan, en términos relativos, una menor resistencia al corte. En Figuras 8.3 y 8.4 de página subsiguiente se ilustra este tipo de discontinuidades.

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Figura 8.1 : Muestra de andesita primaria del Sector Esmeralda de Mina El Teniente que muestra un enrejado de vetillas selladas. Esta muestra corresponde a un testigo de 6” de diámetro, cortado en su parte central (o sea el ancho de la fotografía corresponde a 6”).

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42

Figura 8.2 : Muestra de andesita primaria del Sector Esmeralda de Mina El Teniente que muestra un enrejado de vetillas selladas. Esta muestra corresponde a la frente Fw del Cruzado Cabecera Norte (el ancho de la fotografía corresponde aproximadamente a 1,5 m).

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Figura 8.3 : Detalle que muestra la superficie de un trozo expuesto de la Falla B que aparece en el Sector Esmeralda de Mina El Teniente, y permite observar la presencia de espejos de falla (slickensides) . El ancho de esta fotografía representa 7,5 cm.

Figura 8.4 : Detalle que muestra la superficie expuesta de una falla en el Nivel Teniente 5, que claramente muestra espejos de falla (slickensides).

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La resistencia de la roca primaria intacta es alta y el macizo es bastante masivo, por lo que cuando la orientación de las estructuras relativa a una cavidad subterránea es tal que éstas no afectan la cinemática de la no ruptura se observa un comportamiento propio de los medios continuos y una eventual falla del macizo rocoso deja huecos definidos por superficies curvas, como el que se ilustra en Figura 8.5, en la forma que se puede predecir utilizando la mecánica de los sólidos continuos. Por otra parte, cuando la orientación de las estructuras es tal que influye la cinemática de la falla o ruptura entonces solo la resistencia de las estructuras interesa; ya que la superficie de falla queda completamente definida por éstas, como se ilustra en Fotografía 8.6, y la resistencia del macizo rocoso resulta irrelevante.

Figura 8.5 : Sobre-excavación sin control estructural en un pique circular del Underground Research Laboratory, Pinawa, Canada. La roca es el granito Lac du Bonet, muy competente y muy masiva (tomada del ISRM News Journal de Mayo de 1993). Figura 8.6 : Sobre-excavación completamente definida por estructuras, las cuales delimitan el bloque que cayó a causa del estallido de roca del 18.01.900 en el XC-Z 28/29 del Nivel de Traspaso y Extracción del Sector Teniente Sub 6.

Luego, cualquier modelo geomecánico del macizo rocoso primario debe considerar la orientación de las estructuras presentes en el macizo rocosos y los bloques que éstas definen, de modo tal de verificar si existe un control estructural en la cinemática que tendría una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

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A. Karzulovic & Asoc. Ltda. Por otra parte, como se ha señalado con anterioridad en este informe, la resistencia de estas estructuras es menor que la del macizo rocoso. Luego, una primera aproximación al problema sería considerar que las estructuras tienen resistencia nula y si existe un bloque removible, que sea potencialmente inestable, entonces este bloque fallará y se desprenderá del macizo rocoso. El aceptar esta suposición simplifica bastante el problema; sin embargo, en algunos casos puede resultar demasiado simplista, ya que como se ilustra en Figuras 8.7 y 8.8, en casos donde las estructuras definen claramente la ruptura del material, éstas presentan algún grado de resistencia, incluso en una condición de tracción directa que correspondería al caso más desfavorable y donde se esperaría una mínima resistencia. Luego, el modelo geomecánico que se considere deberá considerar la posibilidad de que las estructuras presenten algún grado de resistencia. Por lo tanto en lo que sigue se supondrá que las estructuras pueden tener resistencia no nula en tracción y que tienen resistencia en tracción, siendo esta última puramente 26 friccionante .

(a)

45

(b)

Figura 8.7 : Probeta C-5 U-20.2 de andesita primaria Hw, Sector Esmeralda de Mina El Teniente, la cual fue ensayada en tracción directa. (a) Probeta antes del ensayo, donde se resaltan con líneas de trazos las discontinuidades (b) Probeta después del ensayo, donde la superficie de falla está claramente definida por las discontinuidades, pero con una resistencia en tracción no nula (tomada de Karzulovic (1997)).

Conforme con todo lo anterior se propone el siguiente modelo geomecánico para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente : (1)

26

El macizo rocoso primario corresponde a un volumen de material conformado por bloques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con rellenos menos competentes que su roca de caja, como se ilustra en Figura 8.9 de página siguiente.

(a)

(b)

Figura 8.8 : Probeta C-5 U-20.3 de andesita primaria Hw, Sector Esmeralda de Mina El Teniente, la cual fue ensayada en tracción directa. (a) Probeta antes del ensayo, donde se resaltan con líneas de trazos las discontinuidades (b) Probeta después del ensayo, donde la superficie de falla está claramente definida por las discontinuidades, pero con una resistencia en tracción no nula (tomada de Karzulovic (1997)).

Esta suposición permite, como se demuestra más adelante, simplificar el problema mediante el uso del concepto del cono de fricción y, por otra parte, no resulta una hipótesis demasiado restrictiva, ya que siempre resulta posible definir la resistencia “verdadera” (e.g. suponiendo que ésta presenta una componente “cohesiva”) en términos de un valor “equivalente” para el ángulo de fricción.

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BLOQUES

20 m

MACIZO ROCOSO ESCALA 5

35

20 m CAVIDAD SUBTERRANEA

m

ESTRUCTURA DE PRIMER ORDEN

Figura 8.9 : Ejemplo del modelo de macizo rocoso primario que aquí se propone, para el caso particular de un macizo escala 5 (i.e. con un volumen de 104 a 105 m3 de material). Este ejemplo muestra algunos de los bloques que conforman el macizo rocoso (no removibles porque no tienen caras libres, ya que no “afloran” en la cavidad subterránea que define el EP), y también una estructura de primer orden (e.g. una falla geológica mayor), cuyo efecto debe ser considerado aparte o en forma especial. Brown Norte 476, Of. 304, Ñuñoa, SANTIAGO / Fonos & Faxes : 225 - 5663 & 204 - 0548

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(2)

Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla 4.1 de página 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el posible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

(3)

Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso y su comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las discontinuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discontinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en página 24). Para esto se propone el esquema de Tabla 8.1 : Tabla 8.1 ESCALAS DE MACIZO ROCOSO Y ESTRUCTURAS ASOCIADAS A DISTINTOS TIPOS DE PROBLEMAS DE CAVIDADES SUBTERRANEAS Problema Considerado

Escala del Macizo Rocoso

Volumen del Macizo Rocoso 3 (m )

Estabilidad de una labor individual

5

10 a 10

Estabilidad de una intersección de labores Estabilidad de un punto de extracción Estabilidad de parte de un sector productivo Inicio del caving Estabilidad de un sector productivo

6

10 a 10

7

10 a 10

8

10 a 10

Desarrollo y evolución del caving

(4)

Estructuras Incorporadas en el Macizo Rocoso

Estructuras Individuales

Orden 3 a 1 y, a veces, también de Orden 5 y 4 Orden 3 a 1 y, a veces, también de Orden 5 y 4 Orden 3 a 1 y, a veces, también de Orden 4 Orden 3 a 1 y, a veces, también de Orden 4

4

5

Orden 6 a 4

5

6

Orden 6 a 4

6

7

Orden 5 a 3

7

8

Orden 5 a 3

El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominantes”, las cuales quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, también, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direcciones “predominantes primarias”, que dependen únicamente del arreglo estructural del macizo rocoso, y direcciones “predominantes secundarias”, que dependen del arreglo estructural y de la cavidad subterránea del problema considerado. Las direcciones “predominantes primarias” quedan definidas por las direcciones más débiles que son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subterránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas estructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la dirección de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxima resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir como se muestra en Figura 8.10 de página siguiente, de la forma sugerida por Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asociados a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta 27 es la dirección de máxima resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia) .

27

Podría no existir una clara definición de esta dirección de máxima resistencia, especialmente si la unión de los conos de fricción define un área suficientemente grande dentro del círculo de referencia de la proyección estereográfica; sin embargo, el concepto sigue siendo válido y, aplicando el criterio, podría definirse una dirección “típica” de máxima resistencia.

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Figura 8.10 : Determinación de la dirección de máxima resistencia conforme con la proposición de Talobre (1957). Esta dirección es opuesta a la de mínima resistencia al corte (tomada de Goodman (1976)).

Estas direcciones “predominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geofábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son ortogonales, se sugiere el conside28 rar sistemas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria . Las direcciones “predominantes secundarias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secundarias corresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arreglo estructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subterránea (que define hacia donde se puede mover el material), y de las fuerzas actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad).

28

El estudio de estos sistemas de ejes queda fuera de los alcances del presente trabajo, pero se sugiere desarrollar estudios específicos para evaluar en detalle la conveniencia de este método.

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49

(5)

Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cinemáticamente 29 admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea , entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotrópico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este caso, se sugiere utilizar el criterio generalizado de Hoek-Brown para definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

(6)

Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemáticamente ad29 misibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea , entonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será preciso proceder de la siguiente manera :

(7)

•

Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)).

•

Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman (1995)). En este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que definen los bloques.

•

Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortificación adecuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP.

•

Deberá repetirse este análisis (i.e. (5) y (6)) para la nueva cavidad.

Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen de material considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plausible la ocurrencia de modos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facilitan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el interior del macizo, de cuerpos filonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominante en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, dique de lamprófido, etc.).

El modelo mecánico recién propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo conceptual y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a : (a)

Desarrollar un ejemplo de aplicación de la metodología recomendada para definir bloques removibles (i.e. teoría de bloques), y el análisis de la estabilidad de dichos bloques.

(b)

Aplicar el modelo mecánico a uno o dos casos prácticos. Finalmente, cabe señalar que :

29

•

El modelo mecánico aquí propuesto no considera la posibilidad que los bloques que se desplazan se traben entre sí .

•

Debe tenerse presente que en cualquier análisis deberá considerarse la evolución en el tiempo de las solicitaciones sobre el macizo rocoso, producto inevitable de la operación minera.

Estos podrán determinarse aplicando teoría de bloques, tanto para los modos traslacionales como para los modos rotacionales (e.g. ver Goodman 1995), Mauldon & Goodman (1996)).

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Como resultado de este trabajo puede señalarse lo siguiente : (1)

Se definieron los conceptos básicos necesarios para definir un modelo conceptual de macizo rocoso, así como también una serie de términos comúnmente utilizados en ingeniería y geología geotécnica (ver Sección 3, páginas 1 a 19).

(2)

Se define el concepto más general de macizo rocoso; demostrándose que el mismo está asociado a un concepto de escala o volumen de material, y que depende del problema particular que se este considerando. Por lo tanto, los conceptos de roca intacta, macizo rocoso y estructuras del macizo rocoso están acoplados y no pueden definirse en forma independiente (ver Sección 4, páginas 20 a 22).

(3)

Conforme con lo anterior, también se ordenan las estructuras geológicas según su “tamaño” (ver Sección 5, páginas 23 a 25).

(4)

Se han revisado los resultados de ensayos sobre probetas con discontinuidades y/o conformadas por bloques (ver Sección 6.2, páginas 26 a 36), concluyéndose lo siguiente : •

La presencia de discontinuidades disminuye o hace menos competentes las propiedades mecánicas de la roca intacta y, si existen varios sistemas de discontinuidades que definen bloques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda definida por un único sistema de discontinuidades).

•

La presencia de discontinuidades que definen bloques induce un comportamiento anisotrópico, que puede llegar a ser muy notable y queda definido, usualmente, por la dirección de las discontinuidades más débiles, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las discontinuidades más blandas, en lo que se refiere a compresibilidad.

•

A medida que aumenta el número de sistemas o familias de discontinuidades, la anisotropía inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del material se hace más isotrópico. De hecho, la anisotropía suele ser máxima cuando existe un único sistema de discontinuidades que es claramente dominante.

•

El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que también de la geometría de éstos.

•

La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocurrencia de modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica definida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o inestabilidades tipo “kink band”.

•

Dependiendo de las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resistencias de la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura puede ser o no influenciada por la orientación de las discontinuidades y puede comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.

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(5)

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51

Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento cargadeformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga.

Se han revisado los métodos que se han utilizado en la práctica para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso (ver Sección 6.3, páginas 37 a 40), concluyéndose que la tendencia actual es utilizar el método generalizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser correcto, ya que : •

La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesariamente concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos 30 métodos .

•

El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores menores de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

•

En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla geológica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen planos de cizalle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de hacer esto no ha sido explícitamente definida.

•

Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comportamiento isotrópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructural que tenga influencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evidentemente, existen muchos casos en que esto no es así.

•

Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas fracturas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícitamente definido, pero Karzulovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el criterio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos.

Por lo tanto puede concluirse que los métodos actualmente utilizados “en forma estándar” para evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de estructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no influyen la cinemática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. (6)

30

Si se acepta como hipótesis básica, como en este trabajo, que el macizo rocoso está formado por bloques; entonces, en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre modelos constituidos por bloques que se han publicado en la literatura, se puede concluir que

Las escalas de aplicabilidad que se indican en Tabla 6.3 corresponden a una estimación del autor de este informe, ya que en la gran mayoría de los trabajos citados en dicha tabla no se indica explícitamente la escala de aplicabilidad.

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eventuales desplazamientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del macizo rocoso. Por lo tanto, resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos desplazamientos y para esto se acepta la validez del Teorema de Shi (ver Sección7 , página 41). (7)

Se propone el siguiente modelo mecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente (ver Sección 8, páginas 41 a 49) : •

El macizo rocoso primario corresponde a un volumen de material conformado por bloques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con rellenos menos competentes que su roca de caja (ver Figura 8.9 de página 46).

•

Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla 4.1 de página 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el posible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

•

Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso y su comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las discontinuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discontinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en página 24 y Tabla 8.1 de página 47).

•

El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominantes”, las cuales quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, también, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direcciones “predominantes primarias”, que dependen únicamente del arreglo estructural del macizo rocoso, y direcciones “predominantes secundarias”, que dependen del arreglo estructural y de la cavidad subterránea del problema considerado. Las direcciones “predominantes primarias” quedan definidas por las direcciones más débiles que son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subterránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas estructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la dirección de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxima resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir, de acuerdo a Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asociados a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta es la dirección de máxima resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia). Estas direcciones “predominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geofábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son ortogonales, se sugiere el considerar sistemas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria. Las direcciones “predominantes secundarias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secundarias corresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arreglo estructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subterránea (que define hacia donde se puede mover el material), y de las fuerzas

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actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad). •

Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cinemáticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea, entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotrópico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este caso, se sugiere utilizar el criterio generalizado de Hoek-Brown para definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

•

Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemáticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la 29 cavidad subterránea , entonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será preciso proceder de la siguiente manera :

•

−

Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)).

−

Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman (1995)). En este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que definen los bloques.

−

Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortificación adecuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP.

−

Deberá repetirse este análisis para la nueva cavidad.

Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen de material considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plausible la ocurrencia de modos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facilitan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el interior del macizo, de cuerpos filonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominante en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, dique de lamprófido, etc.).

El modelo mecánico aquí propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo conceptual y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a : (a)

Desarrollar un ejemplo de aplicación de la metodología recomendada para definir bloques removibles (i.e. teoría de bloques), y el análisis de la estabilidad de dichos bloques.

(b)

Aplicar el modelo mecánico a uno o dos casos prácticos.

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Finalmente, cabe señalar que : •

El modelo mecánico aquí propuesto no considera la posibilidad que los bloques que se desplazan se traben entre sí .

•

Debe tenerse presente que en cualquier análisis deberá considerarse la evolución en el tiempo de las solicitaciones sobre el macizo rocoso, producto inevitable de la operación minera.

SANTIAGO, 31 de Julio de 1997

Antonio Karzulovic L. Ingeniero Civil, Ph.D.

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