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• Rodrigo Andres Raniman Hueche

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Ingeniería Civil FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Macizo Rocoso

Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Frente de excavación en PK73. Plano de falla desfavorablemente orientado. Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

Ingeniería Civil

¿Calidad Geotécnica?

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Se designa con el término de calidad a aquella propiedad (cualidad esencial y característica de una persona o de una cosa) o al conjunto de ellas que están presentes en las personas o en las cosas y que permiten apreciarlas y compararlas con respecto a las restantes que también pertenecen a su misma especie o condición.

MODELO:

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Metodología de líneas •

Caracterización de detalle de los patrones estructurales del macizo rocoso

•

Se efectúa mediante la ubicación de una huincha de un largo que puede variar entre 10 a 50 metros de longitud

•

Se miden y registran todos los atributos de las estructuras de una longitud superior a un valor específico (ej: más de un metro), y cuya proyección corte la línea de la huincha

•

Se recomienda la utilización de líneas con diferentes orientaciones para evitar sesgos en la medición

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Metodología de celdas •

Resume la condición geotécnica-estructural de un sector delimitado, que en general corresponde de 5 a 15 metros de pared de un banco o de una galería

•

Solo los atributos de los sets principales reconocidos en la ventana son registrados

•

Permite caracterizar rápidamente un sector

•

Puede introducir sesgo subjetivo

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

Definiciones caracterización de macizos rocosos

Ingeniería Civil

L:

C:

A:

Orientación

Tipo de roca

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Numero de sets B, J1

(S)

I: Apertura

S E: K: Filtraciones

Persistencia (l)

l H: Alteración G: Resistencia pared

M: Bloque (Tamaño forma) J: Relleno (Tipo, espesor)

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B: Tipo de Discontinuidad (falla, junta, etc.)

F: Rugosidad

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Wyllie and Mah (2004)

D: Espaciamiento

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Sistemas de Clasificación de Macizos Rocosos

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

Propósito y Características

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Calificar de manera cuantitativa la calidad geotécnica de un macizo rocoso. Permitir la distinción entre un macizo y otro de manera rápida y fácil Tener un parámetro para efectos de diseño de fortificaciones Se basan en apreciaciones empíricas. Son subjetivos, a mayor experiencia mejor es la clasificación. Se basan en sistema de ratings, en que se asigna un puntaje a diversas características y se calcula un puntaje final.

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Clasificación de Bieniawski (1989)

También conocida como Clasificación Geomecánica, definida por Bieniawski (1976). Versión actualizada de 1989. Otorga puntaje a 5 parámetros, con una suma máxima de 100. El puntaje total se llama RMR, “Rock Mass Rating”.

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• Parámetros a calificar: Resistencia de la Roca Intacta: A partir de valores de resistencia a la compresión simple (UCS) o de ensayos de carga puntual. Ptje máximo: 15. RQD. Ptje Máximo: 20. Espaciamiento de discontinuidades. Ptje. Máximo: 20. Condiciones de las discontinuidades. Ptje Máximo: 30. Condiciones de Agua Subterránea. Ptje Máximo: 15.

RMR= (1)+(2)+(3)+(4)+(5) (RMR Máximo = (15)+(20)+(20)+(30)+(15)= 100)

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RMR Bieniawski

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Tomado de Hoek, 2000 Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Tomado de Hoek, 2000

Ensayo UCS

Carga Puntual Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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•

RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.),

Jv = número total de discontinuidades por m 3 (0 < RQD < 100 para 35 > Jv > 4.5). Tomado de Hoek, 2000

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RQD

(Rock Quality Designation) Index Rock Quality Designation index

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(RQD) fue desarrollado por Deere (Deere et. al. 1967) como una herramienta para estimar cuantitativamente la calidad del macizo rocoso a partir de testigos de sondaje. RQD es definido como el porcentaje de trozos intactos mayores a 10 cm en el largo total del sondaje. El testigo debe ser de tamaño no menor a NW (diámetro 54.7 mm o 2.15 pulgadas), obtenido de perforaciones con barras de doble tubo.

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Deere (1964) propuso la siguiente relación entre el valor de RQD y la calidad de la roca para ingeniería:

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RQD < 25 %

Calidad de la roca Muy mala

25 – 50 %

Mala

50 – 75 %

Regular

75 – 90 %

Buena

90 – 100 %

Muy buena

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200 cm

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Cuando no hay testigos disponibles, el RQD puede ser estimado del número de discontinuidades por unidad de volumen: RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.), con Jv = número total de discontinuidades por m 3 (0 < RQD < 100 para 35 > Jv > 4.5).

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Ingeniería Civil

RQD es un parámetro que depende de la dirección

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RQD pretende representar la calidad del MR in situ. Cuidado con fracturas debidas al mal manejo del sondaje (inducidas) RQD es considerado en algunas de las clasificaciones de MR Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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RMR Bieniawski

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Espaciamiento: Distancia media perpendicular entre los planos de un mismo set. Define el tamaño de bloques de matriz rocosa que forman los distintos sets. Frecuencia (F o l): Inverso del Espaciamiento. Se mide en fracturas por metro (ff/m)

Tomado de Hoek, 2000

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Espaciamiento de las fracturas

El espaciamiento de las fracturas en un set sistemático puede ser medido en términos, o bien del promedio de las distancias medidas perpendicularmente a las fracturas, o bien del número promedio de fracturas encontradas en una distancia dada (normal a la fractura).

En el primer caso, el espaciamiento queda representado por una distancia (p.e. 20 cm);

En el segundo caso está representado por la frecuencia de fracturas (5 ff/m).

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Espaciamiento (S)

Gonzalez de Vallejo, 2002

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Discontinuidades: • Paralelas • Lineales • Persistentes • No espaciadas regularmente

l: ls:

frecuencia real frecuencia medida a lo largo del scanline

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S Espaciamiento máximo, min, característico, por set… Otro método seria utilizar mediciones en la línea de detalle → rango de valores Frecuencia Discretos

Continuos

S

Espaciamiento, S

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1

l

Espaciamiento, S

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Detalle para puntaje condiciones de discontinuidades

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TomadoGeológica de Hoek, 2000 Investigación y Caracterización y Geotécnica

E: Persistencia

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Gonzalez de Vallejo, 2002

También tipo de término

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Persistencia (l) Longitud continua de la discontinuidad

Espaciamiento + Persistencia ≈ Tamaño de bloque

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Rugosidad

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• Irregularidad de la superficie (asperidad) que producen bloqueo entre las discontinuidades contribuyendo significativamente a la resistencia al deslizamiento • Depende de la escala de medición González de Vallejo (2002)

Gonzalez de Vallejo, 2002

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F: Rugosidad a escala menor

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Cuantitativamente

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Rugosidad a escala mayor

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Se puede clasificar visualmente a escalas intermedia (m) utilizando las siguientes figuras Escalonada

Ondulada

Rugosa

Rugosa

Lisa

Lisa

Pulida

Pulida

Plana Rugosa

Lisa

Pulida

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Wyllie and Mah (2004)

Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Gonzalez de Vallejo, 2002 Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Rugosidad a escala menor

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Joint Roughness Coefficient (JRC) Pulida

Barton (1976)

Suave

Comparar estos perfiles típicos con la superficie de terreno

Orientación de la rugosidad Moderadamente rugosa Rugosa

Muy Rugosa

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Rugosidad

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Relacionado directamente con la resistencia al cizalle (corte) de la discontinuidad. La rugosidad aumenta la resistencia al cizalle de una discontinuidad. El término se relaciona a la ondulación o sinuosidad (gran escala) y a la rugosidad (pequeña escala)

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Las discontinuidades naturales no son lisas, sino presentan asperidades. Una discontinuidad rugosa tendrá una resistencia al cizalle mayor que una lisa en la misma roca. Al cizallarse, las asperidades se irán a su vez puliendo y la resistencia se aproximará a la de la superficie lisa.

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Modelo de Patton

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Patton (1966) modeló una discontinuidad con asperidades, usando un ángulo único que representa la asperidad. Los componentes de las fuerzas de corte y normal se pueden expresar como: S*= S cos i – N sen i; N*= N cos i + S sen i

N i N* S N*

S* i

S*

sin i 

N* S*   N *  S sin i _ y _ S *  N sin i S N

S* N*   S *  S cos i _ y _ N *  N cos i S N  S *  S cos i  N sin i cos i 

N *Túneles  S sin i y N cos i Diploma de Postítulo en Espacios Subterráneos

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Asumiendo solo fricción, se puede probar que la relación de fuerzas normal y de corte en la discontinuidad es: S= N tan (f + i) (Ley de Patton) El efecto de las asperidades se mantiene solo con stresses normales bajo un cierto umbral sobre el cual el trabajo requerido para cizallar las asperidades es menor que el trabajo requerido para sobrepasarlas. Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Criterio Bilinear de Patton

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Bajo el umbral, tp=s tan (fb + i) Sobre el umbral, tp=Cj + s tan fr

f b= Joint basic friction angle f r = Residual friction angle i = Asperity angle

Shear Stress

fr

Rough Joint

Cj

Ingeniería Civil

Smooth Joint i fb Normal Stress

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fb: Angulo de fricción interna puro o básico del material Cj: Cohesión aparente derivada de las asperidades Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Otros estudios han intentado “suavizar” la curva bilinear de Patton, basados en modelos experimentales. Ej: Jaeger (1971)

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Modelo de Barton

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En un modelo empírico, Barton (1976) determinó la resistencia al corte de las discontinuidades como:

t = sn tan [JRC log10 (JCS/sn) + fb] El modelo considera cambios en la resistencia con el stress normal y la rugosidad. Efectos de cohesión aparente están incorporados en la fórmula.

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Barton (cont.) t = sn tan [JRC log10 (JCS/sn) + fb]

JRC: Joint Roughness Coefficient. JCS: Joint Compressive Strength. JRC: Expresión del nivel de rugosidad de la discontinuidad, se obtiene por comparación con una tabla. Hay correcciones por efectos de escala. JCS: Resistencia de la discontinuidad, se puede obtener de ensayos con martillo de Schmidt. Si la pared es fresca, JCS es similar a compresión uniaxial de la roca (UCS). Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

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Relleno El relleno gobierna el comportamiento de la discontinuidad, por lo que deben ser reconocido. Las características que deben ser descritas son: su naturaleza, espesor o ancho, resistencia al corte y permeabilidad Rellenos comunes: arcillas, óxidos de hierro, salbanda de falla, suelos, calcita. Efectos del relleno Si la discontinuidad está rellena por materiales blandos (ej: arcillas) y el espesor del relleno es superior a la amplitud de las asperidades, la resistencia pasa a ser controlada por el material de relleno, pudiendo bajar drásticamente.

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Investigación y Caracterización Geológica y Geotécnica

Resistencia pared

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Evaluación en terreno Grado

Descripción

Rango aproximado de resistencia a la compresión uniaxial (MPa)

Identificación de terreno

S1

Arcilla Muy Blanda

Fácilmente penetrable varias pulgadas con el puño.

0,50

>250

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Resistencia pared

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Martillo Schmidt

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Dureza relativa de los minerales más comúnmente encontrados en las vetillas de El Teniente, según la escala de Mohs

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Ingeniería Civil

Alteración de la roca y pared TERMINO

DESCRIPCIÓN

Roca Fresca

No presenta signos visibles de meteorización en la roca: tal vez una leve decoloración en las superficies de las discontinuidades mayores.

I

Levemente Meteorizada

La decoloración indica meteorización de la roca y en las superficies de las discontinuidades. La roca en su totalidad puede estar decolorada por la meteorización y puede estar externamente algo más débil, que en su condición fresca.

II

Moderadamente Meteorizada

Menos de la mitad de la roca esta descompuesta y/o desintegrada como un suelo. La roca fresca o decolorada se puede presentar como colpas o testigos continuos.

III

Muy Meteorizada

Más de la mitad de la roca esta descompuesta y/o desintegrada como un suelo. La roca fresca o decolorada se puede presentar como colpas o testigos discontinuos.

IV

Completamente Meteorizada

Toda la roca esta descompuesta y/o desintegrada como un suelo. La estructura original del macizo aún se mantiene en gran parte intacta.

V

Suelo Residual

Toda la roca está convertida como suelo. La estructura del macizo y la fábrica del material están destruidas. Existe un gran cambio de volumen, sin embargo el suelo no ha sido transportado significativamente.

VI

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GRADO

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sondajes de diamantina

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Ingeniería Civil

Apertura

Sin relleno

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Con relleno

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RMR Bieniawski

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TomadoGeológica de Hoek, 2000 Investigación y Caracterización y Geotécnica

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Adicionalmente, Bieniawski (1989) propuso una clasificación (clases I a V), correcciones para casos especiales y recomendaciones de valores de resistencia del macizo y aplicaciones en túneles.

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Se agrega una corrección para túneles:

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TomadoGeológica de Hoek, 2000 Investigación y Caracterización y Geotécnica

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Tomado de Hoek, 2000

González de Vallejo (2002) Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Tomado de Hoek, 2000

González de Vallejo (2002) Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Tomado de Hoek, 2000

González de Vallejo (2002) Diploma de Postítulo en Túneles y Espacios Subterráneos

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Clasificar según Bieniawski: Roca: granito fresco, rebota el martillo Número de discontinuidades por m3: 9 (jv=9; RQD = 115-3,3Jv = 85%) Frecuencia de fracturas: 8 f/m (espaciamiento=1/8=0,12 m) Las discontinuidades son planas, ligeramente rugosas, continuas, mayor a 3 m de largo, con pátinas de óxidos, abertura entre 1 y 2 mm. El lugar se ve seco Valoración del Macizo Rocoso (RMR) Parámetro

Valores y Puntajes

Valoración

Resist. compresión uniaxial (Mpa)

>250

(15)

100-250

(12)

50-100

(7)

25-50

(4)