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• Felipe Alvarado

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO EQUIPO DE GEOMECÁNICA

Mecánica de Rocas II, 17196-0

UNIDAD III: Geologia estructural

Juan José Muñoz

Mecánica de Rocas II, 17196-0 (2016)

CARACTERIZACIÓN DE MACIZO TEMAS

Geologia estructural. • Definición de estructuras geológicas. • Modelos estructurales. • Dominios estructurales. • Casos de estudios.

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL Independiente del nivel del proyecto: • Formulación de un modelo geotécnico. • Poblar el modelo con datos. • Dividir el modelo en dominios. • Subdividir los dominios en sectores de diseño. • Analizar las estabilidad de los taludes en términos de los criterios de aceptabilidad. • Definir la configuración geométrica del talud. • Definir los requerimientos e implementación del monitoreo para los taludes propuestos.

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL • Fallas: • Fractura en las cuales se tiene movimiento relativo. • Presencia importante de relleno • Fallas Regionales. • Escala mayor a la mina, caracterizadas por importante movimiento • Fallas Mayores. • Escala interrampa y mina, • Fallas Menores. • Fallas a escala de banco

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL • Joint: • Una de las estructuras mas comúnmente observada. • Fractura o grieta que no presenta desplazamiento relativo. • En cuerpos superficiales producto de esfuerzos tensionales causados por estratificación o levantamiento • Diaclasas a escala de banco

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

Dr Ing Antonio Karzulovic

ZONA DE CIZALLE EN METASEDIMENTOS, MINA CHUQUICAMATA

103 m < L < 104 m

ESTRUCTURAS MAYORES QUE DELIMITAN BLOQUES DE GRAN TAMAÑO EN CHIMENEA RIOLITICA, CRATER DE SUBSIDENCIA, MINA RIO BLANCO

ESTRUCTURA MAYOR QUE DEFINE UN PLANO DE DESLIZAMIENTO, MINA A RAJO ABIERTO EN EL NORTE DE CHILE

101 m < L < 102 m

102 m < L < 103 m

LIMITE OCCIDENTAL FALLA OESTE MINA CHUQUICAMATA

FALLA GEOLOGICA, NIVEL TEN 5, MINA EL TENIENTE

L > 104 m

103 m < L < 104 m

ESTRUCTURAS MAYORES QUE DELIMITAN BLOQUE DE GRAN TAMAÑO, MINA EL TENIENTE

101 m < L < 102 m

ESTRUCTURAS PRINCIPALES ESTRUCTURAS REGIONALES

10 4

JJ Muñoz PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS QUE DEFINEN CARAS DE MOLDE DEJADO POR CAIDA DE BLOQUE DE ROCA, MINA SUBTERRANEA, CANADA 100 m < L < 101 m

VETILLAS SELLADAS EN PROBETA DE 6” DE DIAMETRO 10-1 m < L < 100 m

ESTRUCTURA PARALELA A CAJA DE GALERIA, MINA EL TENIENTE 101 m < L < 102 m

ESTRUCTURAS INTERMEDIAS ESTRUCTURAS MAYORES

ESTRUCTURAS MENORES

10 3 10 2 10 1 10 0 Persistencia de la estructura geológica, L ( m )

10 -1 Karzulovic (2001) 2

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL Dr Ing Antonio Karzulovic

Brown (1981)

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS

nio Karzulovic

GEOLOGIA ESTRUCTURAL Tabla 2.3

TIPOS DE ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS SEGÚN SU GÉNESIS

Clave

Denominación

Descripción

J

Juntas Diaclasas

Discontinuidades asociadas a grietas o fracturas en la roca, a lo largo de las cuales ha habido poco o ningún desplazamiento. En la práctica la denominación Junta o Diaclasa se aplica solo al caso de discontinuidades repetitivas (a) y penetrativas (b).

V

Vetillas

Juntas, diaclasas u otro tipo de discontinuidades selladas con uno o más materiales de relleno (no necesariamente más débiles que la roca de caja).

FP

Planos de Foliación

Discontinuidad presente en rocas metamórficas plegadas, que puede estar asociada a la estratificación de la roca original, presencia de minerales laminares, u orientación preferencial de algunos minerales.

SP

Planos de Esquistosidad

Planos de foliación en esquistos u otras rocas, asociados a la presencia de minerales planos, usualmente micas.

B

Planos de Estratificación

Discontinuidades definidas por cambios en uno o más factores (tamaño y/u orientación de los clastos, mineralogía, química, etc.), durante la depositación de rocas estratificadas. Usualmente los planos de estratificación son paralelos entre sí, incluso cuando han sufrido plegamientos.

F

Fallas

Discontinuidad asociada a un plano de falla por corte que muestra claros signos de movimientos diferenciales en el macizo rocoso, en cualquiera de sus cajas. En la práctica se considera que la estructura es una Falla solamente si el movimiento diferencial es mayor que 5 cm (c).

FZ

Zona de Falla

SZ

Zona de Cizalle

(a) (b)

Zona donde ocurre un grupo de fallas paralelas, y poco espaciadas entre sí. Zona asociada a una falla (o delimitada por dos fallas) que muestra en su interior bloques con desplazamientos relativos entre sí, pero no así fallas visibles.

Discontinuidades REPETITIVAS son aquellas que aparecen numerosas veces en el tramo considerado. Discontinuidades PENETRATIVAS son aquellas que, en el tramo considerado, aparecen manteniendo el mismo patrón de JJ Muñoz orientación y espaciamiento. (c) Brown (2002) indica que Harries (2001) recomienda considerar un desplazamiento relativo igual o mayor que 0.01 m (1 cm) para

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

Antonio Karzulovic

CONCEPTOS BÁSICOS GEOLOGIA ESTRUCTURAL

Propiedades Mecánicas de las Estructuras: Propiedades Índice:

Descripción cualitativa

Resistencia:

Resistencia en tracción (?) Resistencia al corte: Mohr-Coulomb Barton-Bandis

Deformabilidad:

Rigidez normal Rigidez tangencial

JJ Muñoz

CONCEPTOS BÁSICOS

Dr Ing Antonio Karzulovic

PROPIEDADES MECÁNICAS Criterio de Mohr-Coulomb Hoek & Bray (1981) indican que la resistencia al corte de estructuras lisas o no rugosas puede evaluarse mediante el criterio de Mohr-Coulomb, considerando que la resistencia peak queda dada por: ' n tan j max = c j +

τ

σ

φ

donde φj y cj corresponden al ángulo de fricción y la cohesión para la condición de resistencia peak, y σ’n es el valor medio del esfuerzo normal efectivo actuante sobre el plano de la estructura. En condición residual, o sea cuando se ha excedido la resistencia peak y han ocurrido desplazamientos importantes en el plano de la estructura, la resistencia al corte queda dada por:

τ max = c jres + σ n' tan φ jres donde φjres y cjres corresponden al ángulo de fricción y la cohesión para la condición de resistencia residual (usualmente la cohesión es nula en la condición residual), y σ’n es el valor medio del esfuerzo normal efectivo actuante sobre el plano de la estructura. Este criterio de resistencia es el más utilizado en la práctica, pero ignora la no linealidad de la envolvente de resistencia al corte por lo que la determinación de los parámetros de resistencia al corte debe hacerse para un rango de presiones de confinamiento acorde a la situación que se tendrá en terreno.

JJ Muñoz

Por esto, se debe ser especialmente cuidadoso al considerar valores “típicos” referenciados en la literatura técnica, ya que si estos valores han sido determinados para un rango de presiones de confinamiento distinto al caso que interesa los mismos no serán aplicables. Al respecto, cabe señalar que la mayoría de los valores “típicos” citados en la literatura técnica corresponden a evaluaciones de la resistencia de estructuras abiertas o con rellenos blandos y/o débiles, en condición de poco confinamiento, por lo que si bien estos valores “típicos” podrían resultar de utilidad en el caso de taludes rocosos, los mismos no serían aplicables al caso de minería subterránea, donde las presiones de confinamiento son sustancialmente mayores.

CONCEPTOS BÁSICOS

Dr Ing Antonio Karzulovic

PROPIEDADES MECÁNICAS τ

Curva carga-deformación para un valor dado del esfuerzo normal efectivo.

RE SI ST EN CI

A

PE AK

τ

CONDICION PEAK

CONDICION RESIDUAL

u

φj cj

CIA N E IST RES

φ jres cjres

JJ Muñoz

PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS

UAL D I S RE

σn 21

CONCEPTOS BÁSICOS PROPIEDADES MECÁNICAS Si bien las discusiones respecto al efecto de escala de los parámetros que definen la resistencia al corte de las estructuras según el criterio de Mohr-Coulomb son limitadas, los antecedentes disponibles permiten indicar que: (a) (b)

(c)

(d)

JJ Muñoz

Las determinaciones en laboratorio tienden a sobre-estimar el valor peak de la resistencia al corte de las estructuras, especialmente en la cohesión. La resistencia peak de estructuras limpias y rocas de caja relativamente competentes, a escalas de 10 a 30 m y en condición de muy bajo confinamiento (o sea la condición predominante en los bancos de una mina a rajo abierto), queda definida por valores muy bajo a nulos de la cohesión y ángulos de fricción en el rango de 45° a 60° (conforme con los resultados de numerosos análisis retrospectivos de inestabilidades con control estructural a nivel de bancos). En condición de bajo confinamiento y a escalas de 50 a 200 m, las estructuras con rellenos arcillosos centimétricos presentan resistencias peak “típicas” caracterizadas por cohesiones en el rango de 0 a 75 kPa, y ángulos de fricción en el rango de 18° a 25°. En condición de bajo confinamiento y a escalas de 25 a 50 m, las estructuras selladas con rellenos no arcillosos presentan resistencias peak “típicas” caracterizadas por cohesiones en el rango de 50 a 150 kPa, y ángulos de fricción en el rango de 25° a 35°.

Antonio Karzulovic

JJ Muñoz

EDADES DE LAS ESTRUCTURAS

23

GEOLOGIA ESTRUCTURAL EFECTO DEL CONFINAMIENTO

Dr Ing Antonio Karzulovic

W

JJ Muñoz

Goodman (1976)

GEOLOGIA ESTRUCTURAL ENSAYOS SIMPLES

Dr Ing Antonio Karzulovic

Barton et al. (1985)

Franklin & Dusseault (1989)

Franklin & Dusseault (1989) Priest (1993)

JJ Muñoz

Ensayos Simples (Tilt tests)

GEOLOGIA ESTRUCTURAL

Dr Ing Antonio Karzulovic

ENSAYOS CORTE DIRECTO

González de Vallejo et al. (2002)

González de Vallejo et al. (2002)

González de Vallejo et al. (2002)

Maquina de Corte Directo tipo Hoek JJ Muñoz PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS

28

GEOLOGIA ESTRUCTURAL ENSAYOS CORTE DIRECTO Dr Ing Antonio Karzulovic

Hoek (1999)

Maquina de Corte Directo del tipo usado por Hencher & Richards (1982)

JJ Muñoz

PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS

Hoek (1999)

29

GEOLOGIA ESTRUCTURAL ENSAYOS CORTE DIRECTO

r Ing Antonio Karzulovic

Normal load system Encapsulating material Rock specimen

Shear load system Failure plane (discontinuity) Shear box Low-friction system Franklin & Dusseault (1989)

JJ Muñoz

Franklin & Dusseault (1989)

GEOLOGIA ESTRUCTURAL ENSAYOS TRIAXIAL Dr Ing Antonio Karzulovic

Karzulovic et al (2001)

JJ Muñoz

Karzulovic et al (2001)

Goodman (1989)

Ensayes de compresión triaxial sobre probetas de roca con discontinuidades

GEOLOGIA ESTRUCTURAL ENSAYOS DE GRAN ESCALA

Dr Ing Antonio Karzulovic

ESTRUCTURA ANTES DEL ENSAYO

Ensayos de Corte Directo de Gran Tamaño ( 30 cm x 15 cm )

ESTRUCTURA DESPUES DEL ENSAYO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL

Dr Ing Antonio Karzulovic

ENSAYOS INSITU

Franklin & Dusseault (1989) Franklin & Dusseault (1989)

Ensayos de Corte Directo In Situ (gran tamaño) JJ Muñoz PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS

33

GEOLOGIA ESTRUCTURAL

onio Karzulovic

PROPIEDADES MECÁNICAS Criterio de Barton-Bandis Barton (1971,1973) propuso un modelo no lineal empírico para la resistencia al corte de las estructuras, sugiriendo que ésta podía determinarse con una precisión razonable si se consideraba la resistencia en compresión uniaxial de la roca de caja, JCS. Posteriormente, Barton & Choubey (1977) extendieron el criterio para incluir distintos grados de rugosidad en términos de un índice de rugosidad de la estructura, JRC. Barton y sus colaboradores han continuado mejorando este criterio, que actualmente se conoce como criterio de Barton-Bandis:

⎛

⎞ ⎛ JCS ⎞ ⎟⎟ + φb ⎟ ⎟ ⎝ σn ⎠ ⎠

τ max = σ n tan⎜⎜ JRC lg ⎜⎜ ⎝

donde φ b es el ángulo de fricción básico de la roca de caja de la estructura (medido sobre un plano liso de dicha roca), JRC es el coeficiente de rugosidad de la estructura, y JCS es la resistencia en compresión uniaxial de la roca que forma la rugosidad de la estructura. En general los valores de φb son cercanos a 30° y, como guía para una primera estimación, en Tabla 2.9 se resumen valores típicos del ángulo de fricción básico para distintos tipos de roca. La determinación del coeficiente de rugosidad de la estructura, JRC, suele hacerse mediante la comparación visual de la estructura con perfiles de rugosidad. También puede recurrirse a ensayos simples de terreno, como los “tilt tests” y “pull tests” descritos por Bandis et al. (1981).

JJ Muñoz

Tabla 2.9 GEOLOGIA ESTRUCTURAL VALORES TÍPICOS DEL ANGULO BÁSICO DE FRICCIÓN (tomada de Barton (1973) y Barton & Choubey (1977)) PROPIEDADES MECÁNICAS

Condición Roca de Caja

JJ Muñoz

Seca Saturada Angulo Básico de Fricción

Anfibolita

32°

Arenisca

26° a 35°

25° a 34°

Basalto

35° a 38°

31° a 36°

Caliza

31° a 37°

27° a 35°

Conglomerado

35°

Creta

30°

Esquisto

27°

Dolomita

31° a 37°

27° a 35°

Gneiss esquistoso

26° a 29°

23° a 26°

Granito Fino

31° a 35°

29° a 31°

Granito Grueso

31° a 35°

31° a 33°

Limonita

31° a 33°

27° a 31°

Pórfido

31°

Pizarra

25° a 30°

21°

onio Karzulovic

GEOLOGIA ESTRUCTURAL PROPIEDADES MECÁNICAS Tabla 2.10 CARACTERIZACIÓN DE LA RUGOSIDAD DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN LAS RECOMENDACIONES DE LA ISRM Clase

Escala

JRC20

JRC100

Rugosa

20

11

Lisa

14

9

III

Pulida

11

8

IV

Rugosa

14

9

Lisa

11

8

VI

Pulida

7

6

VII

Rugosa

2.5

2.3

Lisa

1.5

0.9

Pulida

0.5

0.4

Intermedia

I II

V

VIII

Escalonada

Ondulosa

Plana

IX

Menor

Perfil Típico de Rugosidad de la Estructura

Notas: La longitud de cada perfil puede está en el rango de 1 a 10 m. Las escalas vertical y horizontal son iguales. JRC20 y JRC100 corresponde al valor estimado del coeficiente de rugosidad de la estructura (Barton & Choubey (1977)) cuando el perfil se “asimila” a un largo de 20 y de 100 cm, respectivamente (Bandis (1993)). (modificada de Brown, 1981). JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL

Dr Ing Antonio Karzulovic

PROPIEDADES MECÁNICAS Comportamiento Carga-Deformacion Bandis (1993)

JJ Muñoz

Deformabilidad de las Discontinuidades Geológicas

GEOLOGIA ESTRUCTURAL TEMAS

Geologia estructural. • Definición de estructuras geológicas. • Modelos estructurales. • Dominios estructurales. • Casos de estudios.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL MODELO ESTRUCTURAL

1.Estructuras mayores. 2.Fabrica. 3.Dominios estructurales.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL MODELO ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL MODELO ESTRUCTURAL

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL TEMAS

Geologia estructural. • Definición de estructuras geológicas. • Modelos estructurales. • Dominios estructurales. • Casos de estudios.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL DOMINIOS ESTRUCTURALES Estos son una subdivisión del macizo a escala mina Información: • Fallas y joint a nivel de escala de banco (menores). • Fallas a nivel interrampa (mayores). • Singularidades geológicas. Condiciones: • Los limites deben ser entidades geológicas que definan una diferencia marcada en el comportamiento estructural (geología, fallas)

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL DOMINIOS ESTRUCTURALES Cuando el espaciamientos de los Joint están medidos de sondajes o en Scanline, el numero de Joint observados de cualquier set esta en función del ángulo de intersección (inclinación) entre este set y el eje del sondaje o Scanline. La corrección de Terzaghi (Terzaghi 1965) corrige el peso que tienen los sistema que se encuentran mas paralelos a la línea de mapeo. En la figura, el set A perpendicular a la línea de mapeo tiene un mayor numero de joint mapeados que el set C, siendo que el espaciamiento de los set es el mismo.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL DOMINIOS ESTRUCTURALES

D = D’ sin α = D’ (1/W). R’ = 1/D = 1/(D’ sin α) = D’ cosec α. W = (1) cosec α α = ángulo mínimo entre el plano y la traversa. D’ = espaciamiento aparente a lo largo de la traversa. D = espaciamiento real del set. R’ = densidad real de la población de joint. W = peso aplicado a un polo individual antes del calculo de densidad.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL DOMINIOS ESTRUCTURALES • El factor de corrección tiende a infinito cuando α tiende a cero. • • Los limites máximo de a se encuentra entre 50° y 89,9°. • El limite mínimo recomendado de a es de 5° 25°, por defecto de 15°.

CON CORRECCIÓN

SIN CORRECCIÓN

JJ Muñoz

Scanline horizontal

CARACTERIZACIÓN DE MACIZO TEMAS

Geologia estructural. • Definición de estructuras geológicas. • Modelos estructurales. • Dominios estructurales. • Casos de estudios.

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

Zone 1 Zone 2

Zone 4 Zone 3

JJ Muñoz

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO DOMINIO

ESTRUCTURA FALLAS

I JOINTS

JJ Muñoz

SET F1 F2A F2B F2A J1A J1B J2 J3

DIP 69 83 75 81 81 77 43 81

± ± ± ± ± ± ± ±

(º) 8 5 8 7 6 11 8 4

DIP DIR 160 ± 227 ± 55 ± 283 ± 283 ± 87 ± 146 ± 201 ±

(º) 10 13 15 14 9 8 25 11

PO % 11 11 13 11 11 9 14 9

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO DOMINIO

ESTRUCTURA FALLAS

II JOINTS

JJ Muñoz

SET F2B F4 J1B J5 J4

DIP 75 45 58 54 60

(º) ± ± ± ± ±

9 9 16 10 14

DIP DIR 55 ± 86 ± 89 ± 333 ± 24 ±

(º) 10 12 12 17 11

PO % 13 11 19 17 11

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO DOMINIO

ESTRUCTURA FALLAS

III JOINTS

JJ Muñoz

SET F2B F2A F4 F5 J1B J1A J3 J4

DIP 81 84 54 53 79 83 32 66

± ± ± ± ± ± ± ±

(º) 7 5 10 8 7 5 7 9

DIP DIR 86 ± 258 ± 87 ± 36 ± 85 ± 270 ± 121 ± 25 ±

(º) 10 11 10 15 12 15 36 13

PO % 14 8 10 17 16 8 16 11

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO

JJ Muñoz

DOMINIO

ESTRUCTURA

IV

FALLAS

SET F6 F7 F4

DIP (º) 4 ± 6 41 ± 8 48 ± 11

DIP DIR (º) ± 22 12 237 ± 17 90 ± 9

PO % 21 8 9

GEOLOGIA ESTRUCTURAL CASO PRACTICO DOMAINS

STRUCTUR FAULT

I JOINTS

FAULT II JOINTS

FAULT III JOINTS

IV

FAULT

SET F1 F2A F2B F2A J1A J1B J2 J3 F2B F4 J1B J5 J4 F2B F2A F4 F5 J1B J1A J3 J4 F6 F7 F4

DIP DIR : Dip Direction JJ Muñoz

DIP 69 83 75 81 81 77 43 81 75 45 58 54 60 81 84 54 53 79 83 32 66 4 41 48

(º) ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

8 5 8 7 6 11 8 4 9 9 16 10 14 7 5 10 8 7 5 7 9 6 8 11

DIP DIR 160 ± 227 ± 55 ± 283 ± 283 ± 87 ± 146 ± 201 ± 55 ± 86 ± 89 ± 333 ± 24 ± 86 ± 258 ± 87 ± 36 ± 85 ± 270 ± 121 ± 25 ± 22 ± 237 ± 90 ±

(º) 10 13 15 14 9 8 25 11 10 12 12 17 11 10 11 10 15 12 15 36 13 12 17 9

PO % 11 11 13 11 11 9 14 9 13 11 19 17 11 14 8 10 17 16 8 16 11 21 8 9

PO : Probability of Occurrence

GEOLOGIA ESTRUCTURAL TEMA

Geologia estructural. • Definición de estructuras geológicas. • Modelos estructurales. • Dominios estructurales. • Casos de estudios.

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO EQUIPO DE GEOMECÁNICA

Mecánica de Rocas II, 17196-0

UNIDAD III: Caracterización de macizo rocoso

Juan José Muñoz

Mecánica de Rocas II, 17196-0 (2016)