MECANICA DE ROCAS INFORME DE:
MAPEO POR VANTANAS Y SCANLINE
NOMBRES:
MECANICA DE ROCAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
16 de mayo del 2016
VELARDE HERENCIA, GUSTAVO ADOLFO GALLEGOS QUENAYA, ANDRÉ ANTONIO PARICAHUA PARI, EVER CACYA MAMANI, ÁLVARO ALFREDO CAÑAZACA QUISPE, LUIS ALBERT SÁNCHEZ FLORES, ALEX FRANCISCO
2016
ÍNDICE
RESUMEN INTRODUCCION Ubicación y acceso Objetivos Metodologia Alcanzes y limitaciones Geologia de la Zona
TRABAJO DE CAMPO Introduccion Linea de detalle(skanline) Ventana o celda ( Window sampling) Comentarios
TRABAJO DE GABINETE Descripcion Petrografica Calculo de la densidad Calculo del RQD Ensayo de carga Puntual Comentarios
CLASIFICACION GEOMECANICA Introduccion RMR Q de Barton GSI
BIBLIOGRAFIA ANEXOS Fotografias
ÍNDICE
RESUMEN INTRODUCCION Ubicación y acceso Objetivos Metodologia Alcanzes y limitaciones Geologia de la Zona
TRABAJO DE CAMPO Introduccion Linea de detalle(skanline) Ventana o celda ( Window sampling) Comentarios
TRABAJO DE GABINETE Descripcion Petrografica Calculo de la densidad Calculo del RQD Ensayo de carga Puntual Comentarios
CLASIFICACION GEOMECANICA Introduccion RMR Q de Barton GSI
BIBLIOGRAFIA ANEXOS Fotografias
RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en la caracterización y clasificación geo mecánica del macizo rocoso en la zona de Villa Ecológica-Alto Selva Alegre. Las clasificaciones geo mecánicas tienen por objeto caracterizar un determinado macizo rocoso en función de una serie de parámetros a los que se les asigna un cierto valor. Por medio de la clasificación clasificación se llega a calcular un índice índice característico de la roca, que permite describir numéricamente la calidad de la misma. Es una herramienta muy útil en el diseño y construcción de obras subterráneas, subterráneas, pero debe ser usada con cuidado para su correcta aplicación, pues exige conocimientos y experiencia por parte de quien la l a utiliza. En el campo se se realizó una zonificación zonificación del macizo rocoso, rocoso, por el método método de scanline y window sampling y se tomaron datos con su respectivo muestreo. En laboratorio se determinaron propiedades físicas como peso, volumen y densidad de la roca así como el ensayo de carga puntual. Una vez recopilados y analizados los datos se pudo determinar qué tipo de calidad presenta el macizo rocoso.
INTRODUCCIÓN
Ubicación y acceso El poblado de Villa Ecológica está ubicado a 2510 m.s.n.m. en el distrito de Alto Selva Alegre y a aproximadamente 5.5 km. al NW de la ciudad de Arequipa. Tomando como vías de acceso principal hacia Villa Ecológica desde el Parque Selva Alegre hasta el Paradero N° 9 de Villa Ecologica. Las coordenadas Geográficas para esta zona son:
16°20´45.60´´ S 71° 31´43.06´´ W
Figura 1. Imagen aérea google earth. Ruta de acceso hacia la zona de trabajo
Generales Estudiar desde el punto de vista geo mecánico los macizos rocosos que afloran en la zona de Villa Ecológica con la finalidad de entender su relación con los esfuerzos manifestados en su entorno físico. Objetivos Específicos Determinar las propiedades Geomecánicas a partir del cálculo de la densidad, el RMR y el RQD. Otorgar una clasificación Geomecánica a la zona en estudio. Elaborar un modelo Geomecánico de la zona en estudio donde se incluya su resistencia, deformabilidad y permeabilidad. Presentar los datos obtenidos en el campo para su tratamiento en gabinete.
METODOLOGÍA
La metodología llevada a cabo en villa ecológica la siguiente: 1. Reconocimiento del ambiente geológico 2. Realizamos una inspección resaltantes del área de trabajo.
rápida
de
los
rasgos
geológicos más
3. Observamos la densidad densidad de las fracturas, es decir decir el espaciamiento entre entre cada fractura, esto para tener una idea idea del grado de fracturamiento fracturamiento del macizo, con esto clasificamos a la estructura del macizo como “blocky”.
4. Se empleó un formato geotécnico geotécnico proporcionado proporcionado por el ingeniero con la finalidad finalidad de caracterizar el macizo. 5. Realizamos una una serie de medidas in situ, una de las cuales cuales consistía consistía en determinar el grado de aspereza o rugosidad de la superficie del macizo. 6. Posteriormente pasamos a estimar la resistencia resistencia de las paredes, paredes, para ello se se empleó una picsa con ello se determinó que el macizo es muy resistente (R5). 7. Luego se estimó estimó a priori el RQD (Rock Quality Designation) calificándolo calificándolo como un macizo Good Quality (40.87). 8. En este paso se determinó determinó el número de familias presentes presentes en el macizo que en nuestro caso fueron 4 tomaron medidas de espaciamiento entre las fracturas para cada familia. 9. Se realizó las medidas del dip / dip direction de las discontinuidades. discontinuidades. 10. Se tomaron las medidas de persistencia de cada familia. 11. Luego se tomaron las medidas promedio de la separación de las fracturas para cada familia. 12. Después se determinó la rugosidad, el relleno. 13. Se determinó el intemperismo de cada bloque presente en el macizo. 14. El trabajo se realizó en la localidad de Tingo Grande en el cual tomamos como objeto de práctica un macizo rocoso de 10m de largo por 10m de ancho.
ALCANCES Y LIMITACIONES
La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico. La mecánica de rocas guarda una estrecha relación con otras disciplinas como la geología estructural, para el estudio de los procesos de estructuras tectónicas que afectan a las rocas, y la mecánica de suelos, para abordar el estudio de rocas alteradas y meteorizadas en superficie. Las masas rocosas aparecen en su mayoría de los casos afectados por discontinuidades o superficies de debilidad que separa bloques de matriz rocosa o roca intacta constituyendo en conjunto los macizos rocosos. La finalidad de la mecánica de rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de fuerzas internas y externas que ejercen sobre ellos, entonces dentro de los alcances que nos permite la evaluación de los macizos en la mecánica de rocas es tener un conocimiento de las tenciones y deformaciones que pueden llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones, permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería. También nos permite conocer las propiedades físicas del macizo rocoso, las cuales controlan las características resistentes y deformaciones de su matriz (composición mineralógica, densidad, permeabilidad, alterabilidad y dureza), así en medios superficiales, las discontinuidades y los procesos de meteorización juegan un papel muy importante el comportamiento mecánico de los macizos, mientras que en profundidad será el estado tensional preexistente el mayor condicionante de la respuesta mecánica. Ahora, las limitaciones del estudio de la mecánica de rocas en nuestra elaboración del trabajo, comprende la determinación de ciertas propiedades de la misma, como la porosidad, permeabilidad, cohesión de partículas, durabilidad (que consiste en medir la resistencia a la disgregación en ciclos de humedecimiento), velocidad de transmisión de ondas (haciendo el ensayo, pues solo se hizo un promedio de las velocidades en ciertos minerales constituyentes de la roca), debidas a la carencia de instrumentación geotécnica.
GEOLOGIA DE LA ZONA
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La zona de estudio nos encontramos en la zona de flujos de Lava Andesitico datados en 833ka(Touret et al., 2001), es de color gris oscuro, presenta fenocristales de Plagioclases milimétricas, Anfiboles y algunos pocos Piroxenos, todos englobados en una pasta afanítica. El flujo de lava posee espesores entre 20 y 100 m y aflora en la margen izquierda del rio Chili
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TRABAJO DE CAMPO Introducción:
El trabajo en el campo es uno de los pasos principales y fundamentales para realizar todo tipo de estudio o investigación geológica en este caso geomecánico se escoge un lugar de estudio (afloramiento) donde se realiza un análisis visual detallado con una recolección de datos detallada previamente considerando el tipo de estudio o investigación que se realice. El trabajo de campo consistió en la recolección de los datos geológico (estructurales, geomecánicos) de un macizo rocoso a fin de evaluarlo mediante la clasificación geomecánica cualitativa y cuantitativa de los fenómenos naturales y su relación con el comportamiento de los materiales en función a sus propiedades físico-mecánicas. Para ello se utiliza técnicas de caracterización geomecánica el primer paso es el levantamiento geomecánico que consiste en levantamiento de afloramientos (talud) donde se aplican los métodos de GSI, scanline y window sampling y con una serie de fotografías. Se define MACIZO ROCOSO como la forma en la que se presentan las rocas en el medio natural. Así pues un macizo rocoso estará compuesto por la roca y la estructura, que a su vez contienen planos de estratificación, fallas, juntas, pliegues y otros caracteres estructurales. Los macizos rocosos son por tanto discontinuos y pueden presentar propiedades heterogéneas y/o anisótropas. Donde se consideran una serie de parámetros:
Relación entre esfuerzo deformación.
La resistencia de los macizos rocosos
Condiciones que producen su ruptura.
Estado del esfuerzo en condiciones iníciales.
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Estado de los esfuerzos que se desarrollan en los macizos en virtud de las solicitaciones aplicadas.
Problemas estáticos y dinámicos debidos al flujo de agua.
Deformabilidad del macizo rocoso.
Para el análisis de nuestro macizo rocoso usamos el método ROCK MASS RAINTING (RMR), propuesto por BIENIAWSKI (1972). Este método permite de forma sencilla estimar la calidad del macizo rocoso, mediante la cuantificación de parámetros de fácil medición, los cuales se establecen en el campo de manera rápida y con costos de realización mínimos. El método RMR trabaja con varios parámetros dentro de los cuales está la resistencia a la compresión uniaxial de la roca ROCK CUALITY DESIGNATION (RQD). Con el valor del RMR es posible establecer algunas propiedades geotécnicas preliminares del macizo rocoso, para analizar su comportamiento y estabilidad en la realización de un trabajo de ingeniería como por ejemplo un túnel, un talud, etc. También utilizaremos el sistema Q propuesto por BARTON (1974), basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, siendo su objetivo principal establecer un índice para determinar la calidad del macizo rocoso en túneles. El sistema Q también incluye el parámetro como es el índice de calidad de la roca (RQD), así que como vemos, la importancia del cálculo del RQD es fundamental en este tipo de analisis.
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MARCO TEORICO
Los parámetros que mediremos en campo son espaciamiento, persistencia, apertura, rugosidad y relleno por tal motivo se ha incluido un marco teórico en donde se dan las definiciones más precisas posibles de estas mismas.
Espaciamiento
Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Este determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tenga, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.
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Medida del espaciado en una cara expuesta del afloramiento
Persistencia
Es la extensión del área o longitud de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea esta, será menos estable.
Diagramas mostrando distintos modelos de continuidad o persistencia de varias familias de discontinuidades (ISRM. 1981).
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Apertura
Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abertura que esta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a menor apertura, las condiciones serán más desfavorables.
Descripción de la abertura
Relleno
Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales del relleno son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando estos son más duros, esta es más competente.
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Rugosidad
Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanta menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea esta, la masa rocosa será más competente.
Figura 7. Perfiles de rugosidad.
Técnicas de levantamiento:
Para hacer nuestro levantamiento se utilizaron dos técnicas la SCANLINE (línea de detalle) Y WINDOW SAMPLING (celda o ventana).
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Procedimiento del l evantamiento: GSI
El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas de campo. Las observaciones se basan en la apariencia del macizo a nivel de estructura y a nivel de condición de la superficie. A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de alteración que sufren las rocas, la unión que existe entre ellas, que viene dada por las formas y aristas que presentan, así como de su cohesión. Para las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si ésta está alterada, si ha sufrido erosión o qué tipo de textura presenta, y el tipo de recubrimiento existente. Una vez realizadas las observaciones se pasa a la tabla de comparaciones del GSI de acuerdo a lo observado en el macizo de estudio y obtuvimos como respuesta en la tabla de comparaciones por blocky jointed rocks el valor de block y and fair en un rango de 50-60, con promedio de 55.
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Cartilla de G S I que indica que el macizo de estudio se encuentra en bloques angulares con fracturamiento moderado con superficies ligeramente alteradas en resultados la roca de estudio está como macizo regular.
Una vez echa el GSI pasaremos a los siguientes métodos los cuales son:
LINEA DE DETALLE (SCANLINE)
Consiste en una línea que corta diferentes fracturas, dicha línea es dibujada a mano por el que realiza el estudio de la roca, luego se procede a analizar cuidadosamente cada una de las fracturas que interceptan a la línea trazada en el frente de estudio; se toman en cuenta en este análisis el Nº de fracturas, buzamiento, dirección del buzamiento, apertura, relleno, persistencia, presencia de agua, tipo de roca, espaciamiento, rugosidad.
Mapeo por línea de detalle.
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Para la ejecución de este método, usamos los siguientes materiales:
-
Brújula
-
Wincha
-
Picsa
-
Cámara fotográfica
-
Libreta de apunte
Para este método primero empezamos a trazar nuestra línea de detalle luego medimos la longitud de la línea así como su azimut, buzamiento y dip, dip direction.
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Linea de detalle.
-Luego pasamos a contar el número de fracturas que pasan por la línea de detalle que en total obtuvimos 9 fracturas que pasan por nuestra línea de detalle.
Línea de detalle con presencia de 9 planos de discontinuidad.
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En la línea de detalle se obtuvo los siguientes datos que se muestran en el siguiente cuadro:
ROCK MASS INFORMATION SHEET
MAPEO POR CELDA (WINDOW SAMPLING)
El método WINDOW SAMPLING consiste en un rectángulo dibujado en el frente de estudio, en el que se encierran numerosas fracturas, se ubican el número se familias luego se procede al estudio de cada una de las familia, una familia de fracturas debe tener similar dirección de rumbo y similar buzamiento. Se toma en cuenta en este análisis la presencia de agua, el espaciamiento de discontinuidades para cada familia, rumbo y buzamiento de cada familia. En esta imagen tenemos nuestra ventana de estudio o celda donde luego procedemos a seleccionar las familias resaltando con una tiza para su fácil acceso detallado donde determinamos 4 familias como se ve en la fotografía.
18
.
Ventana de mapeo
19
Luego pasamos a probar la resistencia de el macizo de estudio en nuestro caso l o consideramos como resistente debido que la prueba que hicimos con el matillo (pizca) no lo fracturo solo ocasiono pequeñas fracturitas. Haciendo un análisis de la presencia de agua se le considero como seco. Luego pasamos a analizar los aspectos como discontinuidad, rugosidad, relleno, apertura, alteraciones, intemperismo y la medición de dip directión, dip, rumbo y buzamiento de cada una de las familias.
Identificación por familias
Una vez seleccionada y remarcada nuestra zona de estudio procedemos a remarcar nuestra celda y asociar familias y el número de ellas.
F4 F1
F2 F3
Ventana o celda de mapeo con las familias de discontinuidades identificadas.
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FAMILIA I
Espaciamiento:
5.0 cm
Dip: 18 Dip: 16 Dip dirección: 96 Dip dirección: 96 Persistencia: 20m
>
Apertura: 2mm Rugosidad: Superficie medianamente rugosa Relleno: --------Intemperización: Ligeramente alterada
21
FAMILIA
II
Espaciamie nto: 0.96m Dip: 84 Dip: 87 Dip: 81 Dip dirección: 115 Dip dirección: 115 Dip dirección: 114 Persistencia: 1.03 Apertura: 20mm Rugosidad: Superficie medianamente rugosa Relleno: Arcilla 0.5mm Intemperización: Moderadamente alterada
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FAMILIA
III
Espaciamiento: 0.40m Dip: 55 Dip: 70 Dip: 75 Dip dirección: 264 Dip dirección: 265 Dip dirección: 233 Persistencia: 20 cm Apertura: 2 mm Rugosidad: Superficie rugosa Relleno: Arcilla < 0.5mm Intemperización: alterada
Ligeramente
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FAMILIA IV
Espaciamiento:
0.25m
Dip: 54 Dip: 52 Dip: 50 Dip dirección: 045 Dip dirección: 044 Dip dirección: 043 Persistencia: > 1m Apertura: < 0.5mm Rugosidad: rugosa
Superficie
Relleno: Arcilla y arena Intemperización: Moderadamente
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De los datos obtenidos pasaremos a colocar los datos en el siguiente cuadro:
DESCRIPCIÓN DEL MACIZO ROCOSO
UNIVERSIDA D NACIONAL DE SAN AGUSTIN MÉTODO DE CELDAS (WINDOW MPLING) SA
ESCUELA INGENIERIA GEOLOGICA
DE
Región
No
Profundidad:
del macizo rocoso
Tipo de roca:
Traquiandesita
Lugar de trabajo: Charcani RESISTENCIA DE LA ROCA INTACTA
25
Extremadamente resistente Picsa
R6
Designación de la resistencia a la compresión uniaxial (MPa): Muy alta: Más de Indice de fuerza de la carga pun tual (MPa):
Muy resistente 250 X Picsa
R5 > 10
Resistente
Alta: 100
Picsa
250
_
R4 te alta: 50
Moderadamente resistente No navaja
4 – 10
R3
25
x
2 – 4
X_
1 – 2
___
100
Moderada: 50
< 1
Baja:
Debil
5 – 25 Navaja
R2
Muy débil
26
MUY BAJA
1 -- 5
BAJA
0.25 -- 1
AGUA SUBTERRÁNEA
CALIDAD DE LA PERFORACION
Por entrada o túnel de 10 m de longitud (Lts/min) …………………………… . .o Por presión del agua (MPa)
Excelente calidad:
90 – 100 %
…………… …………………………… .
.o Por condiciones generales (seco, húmedo, mojado, goteos, condiciones de alta, media o baja presión).
Buena calidad:
75 – 90 %
………………………………………………
Regular calidad:
…………….
50 – 75 %
.……65%……..
…
ESPACIAMIENTO ENTRE DISCONTINUIDADES Familia I
Muy amplio: Más de 2m. Amplio:
Familia II
1.6
Familia III
1.26 -1.71 1.71-0.48-0.520.26
0.6 – 2m.
Famil ia IV
0.23-0.34
Moder. Amplio: 0.2 – 0.6m. 0.2 Cerrado:
0.19
0.06 – 0.2m.
27
Muy cerrado: < 0.06m. 0.03-0.04
28
GOLPE Y ORIENTACION Familia
Rumbo (promedio)
DIP (buzamiento)
DIP Direction (rumbo)
…………. (de ………….. a
26NW
340
…………. (de ………….. a
68SE
148
…………. (de ………….. a
85SE
150
…………. (de ………….. a
54NE
045
I II III IV CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADES Persistencia
Muy baja: Baja: Media: Alta: Muy alta:
<1m
Familia I 0.2-0.3
Familia III
Familia I
Familia IV
0.2-0.45 1-1.4
1 – 3m 3 – 10m 10 - 20m > 20m Aper tura
Familia II
Familia II
1-1.12
Familia III
Familia IV
0.5mm
< 0.5mm
Juntas muy apretadas: <0.1mm Juntas apretadas: 0.1 –0.5 mm Modera. Abiertas: 0.5 –2.5 mm 5mm
27mm
29
Muy anchas aperturas: > 10mm Rugosidad
Familia I
Familia II
3
3
Familia III
Familia IV
Superficies muy rugosas Superficies rugosas
1
Superficies ligeramente rugosas Relleno
Tipo de relleno: suave Espesor(mm): Fuerza compresiva uniaxial (MPa): Filtración Pared de roca
Sin intemperismo Ligeramente intemperizada Moderadamente intemperizada Altamente intemperizada Completamente intemperizada Residuos de suelo
3
3 Familia I
3 Familia II
1 Familia III
3 Familia IV
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
< 1mm
0.5mm
< 0.5mm
0.5mm
Familia I
Familia II
Familia III
Familia IV
5 3
3
3
OBSERVACIONES Y DATOS GENERALES ADICIONALES Principales fallas y pliegues
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Comentarios: Una vez determinadas las familias que son 4 en nuestro caso pasaremos nuestros datos al software DIPS con los datos obtenidos en el scanline los cuales son 9 datos que nos deben mostrar las familias identificadas en el método de window sampling de las cuales se pueden observar en los diagramas de densidades, polos, planos y polos, densidades, frecuencias y rosetas los cuales veremos a continuación:
4. TRABAJO DE GABINETE
4.1. Descripción Petrográfica La muestra del macizo rocoso la cual ha sido extraída para el estudio correspondiente contiene la petrografía macroscópica siguiente:
MINERALES ROCA
FORMADORES
DE PORCENTAJE (APROX)
QUARTZ PLAGIOCLASE (FELDSPAR) ALKALI FELDSPAR ACCESSORY MINERALS (BT,MCS)
TEXTURA Grado de cristalinidad Tamaño de cristales
Distribución cristales
del
tamaño
<5% <85% <5% <5%
CLASIFICACIÓN Hialocristalina Afanitica (Pasta)-Fenocristales (Plags) de Porfiditica (Pasta) envolvente.
Figura 4.1: Muestra del macizo rocoso.
Clasificada como: An desit a Una roca volcánica intermedia, usualmente como en este caso de textura porfiditica, consistiendo estos en plagiclasa (labradorita-oligoclasa), además de piroxeno, horblenda o biotita. El basalto y la andesita según Streckeisen ambos son relativamente iguales solo siendo separadas e identificadas correctamente en laboratorio además del índice de color según el cuadro anexado.
Tabla 4.1:
Figura 4.2:
5.1. CALCULO DE LA DENSIDAD:
Con la muestra recogida en campo se le dio una forma geométrica regular para así obtener un volumen, midiendo cada uno de sus lados. Luego se la llevo a la balanza para determinar su peso. Las medidas realizadas son las siguientes: L=4.03 cm H=9.92 cm M=410.1 gr Su respectivo volumen V= A*H, V=16.24 cm3 La densidad está dada por la expresión P=M / V P =4 10.1/16.24 P = 2.53 gr/cm3
H=9.92 cm L=4.03 cm
Figura 4.3. Dimensiones de la muestra. 5.2. CALCULO DEL RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)
Con el método de Jv, primero se tienen que identificar las familias de diaclasas. Con cada familiar, se tiene que estimar el espaciamiento entre de las diaclasas, y poner los espaciamientos en la siguiente fórmula: Jv = 1/ esp (1) + 1/ esp (2) + 1/ esp (3) +...... En donde el esp. se refiere al espaciamiento de las diaclasas de la familia 1, 2, 3, etc. Se puede calcular el RQD con el Jv con la fórmula:
RQD = 115 - 3.3 x Jv Donde 0.06m, 0.09m, 0.85m, 0.29m son los espaciamientos promedios de las 4 familias encontradas. Jv = 1/0.06 +1/0.90 + 1/0.85 + 1/0.29 = 22.47 RQD = 115 - 3.3 * (22.47) RDQ = 40.85% RQD = 100 x e(-0.1/S) x ((0.1 / S) + 1) 5.3. ENSAYO DE CARGA PUNTUAL
El ensayo de carga puntual entrega un índice (IS50), el cual es utilizado como una estimación de la resistencia del macizo rocoso. El valor de IS50 sirve como parámetro de entrada en la clasificaciones geomecánicas y puede además ser correlacionado con la resistencia a la compresión uniaxial (UCS). El ensayo consiste en aplicar una carga concentrada sobre una muestra de roca con la forma de un cilindro o de una geometría más irregular mediante un par de puntas cónicas y en la menor dimensión de la muestra, hasta su ruptura. Pueden ser utilizados especímenes de roca de diferentes formas; tales como testigos y bloques Irregulares. El equipo de ensayo básicamente consiste en: - Un sistema de carga. - Un manómetro para medir la carga (P), necesaria para quebrar el especimen ensayado. - Un sistema para medir la distancia (D) entre los dos puntos de contacto. El sistema de carga debiera tener una abertura entre las puntas, tal que permita ensayar especímenes dentro del rango de tamaños deseados. La capacidad del equipo debe ser suficiente para quebrar los especímenes a testear. Debido a que al romperse el testigo lo hace en forma abrupta, el manómetro debiera contener un dispositivo que permita mantener la medida después de cada ensayo. La siguiente figura ilustra la máquina utilizada y el ensayo.
Figura 4.4. A la izquierda tipos de muestra, a la derecha el equipo de PLT.
Figura 4.5. La muestra después de la rotura
Resultados de la muestra ensayada según la norma ASTM 5731: Carga Carga (KN) (Kgf) Andesita 152.404 15.536 Litologia
L W Is UCS De De2 F Is(50) (cm) (cm) (Mpa) (MPa) 9.92 4.037 4.556 20.754 7.343 0.340 2.499 93.497
ISRM Indice R R4
5.4. COMENTARIOS
La estimación del UCS en campo se puede llevar a cabo por diferentes maneras ya sea con una rápida identificación en campo usando el martillo de geólogo así como el uso del martillo de Schmidt, este dato se corroborara con el ensayo de UCS asi como de carga puntual.
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA
Las clasificaciones geomecánicas tienen como objetivo, caracterizar un determinado macizo rocoso en función de una serie de parámetros a los que se les asigna un cierto valor. Por medio de la clasificación se llega a calcular un índice característico de la roca, que permite describir numéricamente la calidad de la misma. Debido a esto las clasificaciones geomecánicas se pueden considerar como una herramienta muy útil en el diseño y construcción de obras subterráneas, tanto de obras mineras como de obras civiles, pero debe ser usada con cuidado para su correcta aplicación, pues exige conocimientos y experiencia por parte de quien la utiliza. RMR
El RMR es una clasificación desarrollada por Bieniawski que permite relacionar índices de calidad con parámetros de diseño. Esta clasificación tiene en cuenta los siguientes parámetros geomecánicos: Resistencia uniaxial de la matriz rocosa, UCS Grado de fracturación en términos del RQD Espaciamiento de las discontinuidades Condiciones de las discontinuidades Condiciones hidrogeológicas
La incidencia de estos parámetros en el comportamiento geomecánico de un macizo se expresa por medio del índice de calidad RMR, Rock Mass Rating, que varía de 0 a 100. Para el cálculo del RMR se suman las puntuaciones de los cinco parámetros de clasificación obteniéndose un valor numérico con el que se clasifica el macizo rocoso.
El significado geotécnico se expresa en la Tabla 4.1, la valoración obtenida clasifica al macizo en cinco tipos, a los que se les asigna una calidad y unas características geotécnicas. RMR 81-100 61-80 41-60 21-40 <21
DESCRIPCIÓN Muy buena Buena Regular Mala Muy mala
CLASE I II III IV V
φ°
>45 35-45 25-35 15-25 <15
COHESIÓN (Kpa) >400 300-400 200-300 100-200 <100
Calidad de macizos rocosos con relación al índice RMR
Ensayo de Resisten Resistencia de cia a la la matriz rocosa compresi (Mpa) ón Puntuaci RQ Puntuaci Espaciamiento de 3 Puntuaci longitud de s al s d
d
e e
Clasificación Geomecánica RMR (Bieniawski , 1989) Parámetros de Compresi ón simple >1 10.0 -4.0 4.0 - 2.0 2.0 - 1.0
25. 0 15 90% 20 20
puntuación abertura puntuación
6 nada 6
puntuación
6
puntuación
6
puntuación
6
12 75% 17 15 4 <0.1 mm 5
a di s e u n ni io t ci
n o d c n si C
c
o d
7 50% - 75% 13 10 2 0.1 - 1.0 3 ligeramen
4 2 25% - 50% 6 8 1 1 - 5 mm 1
5.0 - < 1 0 < 25% 3 5 0 >5 mm 0
5 3 1 0 relleno relleno duro relleno suave relleno suave duro >5 mm <5 mm >5 mm 4 2 2 0 ligeramen moderadame 5
3
1
0
5
agua freática
flujo en 10 m de longitud de túnel
nul o
< 10 litros/min
relación: presión de agua/tensión
0
0-
15
ligeramen te 10
puntuación
10 - 25 litros/mi n
0.1 - 0.2
7
25 125 litros/mi n 0.2 - 0.5
4
RESISTENCIA A L A COMPRESIÓN UNIAXIAL (UCS)
El cálculo de la resistencia compresiva de la roca se realizó con la identificación en campo y en laboratorio con el ensayo de carga puntual. En campo se determinó una dureza de R4 y en el ensayo de carga puntual se corroboro el dato estimado.
> 125 litros/min
>
0
En el ensayo de carga puntual se obtuvo un resultado de Is 50=2.499 La valoración obtenida es de 7.
GRADO ISRM
TERMINO
UCS (MPa)
Is 50
Identific ación en campo
R0
Extremadamente débil
0.25-1
***
Puede ser marcada por la uña Se desmenuza con golpes firmes, con la punta del martillo de geólogo y puede ser arañada por una navaja Puede ser raspada con dificultad por una navaja, golpeando firmemente con la punta del martillo de geólogo se logra una marca poca profunda No puede ser raspada por una navaja, pero puede ser fracturada con un golpe firme del martillo de geólogo Se requiere más de un golpe del martillo de geólogo para ser fracturada
R1
Muy débil
1-5
***
R2
Débil
5-25
***
R3
Medianamente fuerte
25-50
1-2
R4
Fuerte
50-100
2-4
R5
Muy fuerte
100-250
4-10
Se requiere muchos golpes con el martillo de geólogo para ser fracturada
R6
Extremadamente fuerte
>250
>10
Puede ser apenas arañadas con el martillo de geólogo
Ensayo de carga >10 puntual Resistencia Resistencia de la roca a la intacta compresión (Mpa) > 250 uniaxial (Mpa) Puntuación
15
Compresión (Mpa)
simple
250-100 100-50 50 - 25
10-25
3-10
1-3
12
2
1
0
4-10
2-4
7
1-2
4
RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)
RQD=40.85% PESO=8
ESPACIAMIENTO
La tabla de valoraciones para los espaciamientos registrados de cada familia será la siguiente: ESPACIAMIENTO > 2 m (20)
Set 1
0.60 m - 2 m (15)
Set 2
Set 3
1.6
1.26
0.20 m - 0.60 m (10) 0.060 m - 0.20 m (8)
0.2 0.03 0.04 8
< 0.060 m (5) Peso PESO GLOBAL
Set 4
1.71 0.48 0.52 0.26
0.23 0.34
8
10
0.19
15 10
CONDICIÓN DE LA JUNTA
Está conformada por 5 parámetros, para determinar cada uno de ellos se realizara un análisis estadístico, el valor representativo será aquel que tenga mayor frecuencia (Moda). PERSISTENCIA SEPARACIÓN (APERTURA) PERSISTENCIA Set 1 Set 2 Set 3 Set4 <1 m (6) 0.20-0.30 0.2-0.45 1 - 3 m (4) 1-1.4 1-1.12 3-10 m (2) > 20 m 0 Peso PESO GLOBAL APERTURA Ninguno (6) <0.1 mm (5) 0.1-1 mm (4)
6 set 1 0.5
4 set 2
6 5 set 3
4 set 4 0.5
1 - 5 mm (1) >5 mm (0) Peso PESO GLOBAL
2
2
4 3
1
1
4
set 1
set 2
set 3
set 4
3
3
RUGOSIDAD
RUGOSIDAD Muy rugosa (6) Rugosa (5) Ligeramente rugosa (3) Ondulada (1) Lisa (0) Peso PESO GLOBAL
3 1
3 3
3
1
3
ESPESOR DE RELLENO
RELLENO ninguno (6) relleno duro <5 mm
set 1
set 2
set 3
set 4
arcilla
arcilla
arcilla
arcilla
2
2
2
2
relleno duro >5 mm relleno suave <5 mm (2) relleno suave >5 mm Peso PESO GLOBAL
2
METEORIZACIÓN
ALTERACION Inalterada (6) Ligeramente alterada (5) Moderadamente alterada (3) Muy alterada (1) Descompuesta (0) Pesos PESO GLOBAL
set 1 5
5 4
set 2
set 3
set 4
3
3
3
3
3
3
CONDICIÓN DE AGUA
CONDICIÓN DE AGUA completamente seco (15) húmedo (10) mojado (7) empapado (4) Fluido (0) Pesos Peso Global
set 1 15
set 2 15
set 3 15
set 4 15
15 15
15
15
15
Parámetros Resistencia de la Roca Intacta RQD Espaciamiento de Discontinuidades Condición de las Discontinuidades - Persistencia - Apertura - Rugosidad - Relleno - Intemperización Condición del agua RMR
Característica 50 - 100 MPa 40.85 % 60-20 cm
Valoración 7 8 10
1-3 m 0.1-1 mm Ligeramente rugosa < 5mm Moderada Seco
5 3 3 2 4 15 57
CLASIFICACIÓN Q DE BARTON
El índice Q está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la expresión:
Donde: Jn= índice de diaclasado que indica el grado de fracturación. Jr= índice de rugosidad de las discontinuidades o juntas. Ja= índice que indica la alteración de las discontinuidades. Jw= coeficiente reductor por la presencia de agua.
VALORES DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL ÍNDICE Q 1. Calidad del testi o RQD A Muy mala B Mala C Media D Buena E Excelente
RQD %
0-25 25-50 50-75 75-90 90-100
2. Indices de diaclasado
A B C D E F G H J
Roca masiva sin diaclasar o con fisuracion una familia de diaclasas una familia y algunas diaclasas aleatorias Dos familias de diaclasas Dos familias y algunas diaclasas aleatorias Tres familias de diaclasas Tres familias y algunas diaclasas aleatorias Cuatro o más familias, diaclasas aleatorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc Roca triturada, terrosa
Jn
0.5-1.0 2 3 4 6 9 12 15 20
3. índice de rugosidad de las Jr discontinuidades
A
Diaclasas discontinuas 4
B
Diaclasas
onduladas, 3
F
Diaclasas onduladas, lisas Diaclasas onduladas, erfectamente lisas Diaclasas planas, ru osas o irre ulares Diaclasas planas, lisas
G
Diaclasas
C D E
2 1.5 1.5 1
planas, 0.5
4. índice de alteración de las disc ontinuidades
Contacto entre los planos de discontinuidad ( sin minerales de relleno intermedio) Discontinuidad cerrada, dura, sin reblandecimiento, impermeable y sin relleno. A Planos de discontinuidad inalterados, superficies ligeramente B manchadas. Planos de discontinuidades ligeramente alterados. Presentan minerales no reblandecibles, partículas arenosas, roca desintegrada libre de arcilla. C
Ja
0.75 1
2
D
Recubrimiento de arcillas limosas o arenosas. Fracción pequeña de arcilla (no blanda).
3
E
Recubrimiento de arcillas blandas o de baja fricción, es decir, caolinita o mica. También clorita, talco, yeso, grafito.
4
6. condiciones tensionales de la roca
Se reducen los valores del SRF entre un 20-50% si las zonas de fracturas solo ejercen cierta influencia pero no intersectan a la excavación. Rocas competentes, problemas tension ales en las roc as SRF Tensiones pequeñas cerca de la superficie, diaclasas abiertas. A 2.5 Tensiones medias, condiciones tensionales B 1 favorables. Tensiones elevadas, estructura muy compacta. Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de los C 0.5-2 hastiales Lajamiento moderado de la roca después de algunos minutos en rocas masivas. D 5.0-50 Lajamiento y estadillo de las rocas después de algunos minutos en rocas masivas. E 50-200 Estallidos violentos de las rocas (deformación explosiva) y deformaciones dinámicas inmediatas F 200-400 en rocas masivas. CALIDAD DEL TESTIGO RQD
RQD= 40.85 % Peso Global: Malo. 2. Índice de diaclasado (Jn).
Dos familias y algunas diaclasas aleatorias. Peso Global: 6 3. Índice de rugo sidad de las discont inui dades (Jr).
Diaclasas onduladas, rugosas o irregulares
Peso Global: 3.0 4. Índice de alteración de las discon tinu idades (Ja).
Planos de discontinuidad ligeramente alterados y partículas arenosas. Peso Global: 2.0 5. Factor de reducción por la presencia de agua (Jw).
Excavaciones seca o pequeñas afluencias inferiores a 5L/min Peso Global: 1.0 6. Condici ones tensionales de la roca (SRF).
Tensiones pequeñas cerca de la superficie, diaclasas abiertas. Peso Global: 2.5 Reemplazando en la Fórmula del Q de Barton:
Q= (40.85)/6.0 x 3.0/2.0 x 1.0/2.5 Q= 4.085
Se clasifica al macizo rocoso en:
0.01-0.01: roca excepcionalmente mala. 0.01-0.1: roca extremadamente mala. 0.1-1-roca muy mala. 1-4: roca mala. 4-10: roca media. 10-40: roca buena. 40-100: roca muy buena. 100-400: roca extremadamente buena. 400-1000: roca excepcionalmente buena
Hallando el Q con la fórmula del RMR:
RMR= 9lnQ+44 Reemplazando tenemos: lnQ= (RMR-44)/9 Q= 4.23
Anali zando el Q de Bart on en l a tabla:
Resultado: Con el valor del Q de Barton de 4.23 ubicándolo en la tabla nos va a dar la calidad de un macizo rocoso en C Fair.
GSI Según la tabla se estimó en campo un valor de GSI de 55 pero también de puede obtener mediante la ecuación GSI=RMR-5 dando un resultado de 52 lo cual se asemeja mucho al valor obtenido en campo.
ORIENTACIÓN DE LAS 4 FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES: MAPEO POR VENTANAS
Familia
1 2
3 4 Familia 1 2
3 4
MAPEO POR VENTANAS DIP DIP DIRECTION 18 98 16 96 84 115 87 115 71 114 55 264 70 265 75 233 22 255 26 253
MAPEO POR VENTANAS DIP DIP DIRECTION 18 98 16 96 84 115 87 115 71 114 55 264 70 265 75 233 22 255 26 253
Ubicación de las medidas en el DIPS:
Ubicación de las 4 familias de discontinuidades:
ORIENTACIÓN (SCANLINE)
Scanline DIP 13 16 15 15 16 14 13 14 12 17 17 18 14 50 20 25 41 29
DE
LAS
DDIRECTION 7 4 10 11 8 12 8 10 8 10 12 15 16 186 95 93 92 176
MEDIDAS
Scanline DIP 41 50 55 40 43 46 54 24 21 23 24 28 25 29 11 15 13 15 18
DDIRECTION 292 290 274 280 284 229 255 114 126 115 120 125 115 116 117 118 125 112 122
Ubicación de las medidas en el Dips:
Ubicación de las medidas
BIBLIOGRAFÍA:
Igneous Roscks-R.W. Le Maitre & International Union of Geological Sciences 2002 Geologís del Volcán Misti.INGENMET 2006 Tesis de Estratigrafía de Lahares de Chapi Chico a Uchumuyo-de la Bach. Irma Zereceda Quintanilla Gonzales de Vallejo-Ingeniería Geológica Engineering Rock Mechanics - Part 1 Engineering Rock Mechanics - Part 2 Fundamentals of Rock Mechanics Introduction_to_Rock_Mechanics_Goodman
ANEXOS:
