material de estudio - parte i
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PLANEAMIENTO DE PERFORACIONY VOLADURA DE ROCAS
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PLANEAMIENTO DE PERFORACION YVOLADURA DE ROCAS
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PLANEAMIENTO DE PERFORACION YVOLADURA DE ROCAS
Introduccin
En la actualidad, la industria minero-metalrgica es
importante en el desarrollo del Per; la cual atraviesa una
etapa de constante crecimiento debido a distintos
factores, tal es el caso de la gran demanda internacional
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,
mejoras tecnolgicas tanto para el proceso de explotacin
como en la etapa de tratamiento metalrgico.
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Dentro de este proceso productivo, existen diferentes etapasantes, durante y despus de la operacin minera en general.Una de las ms importantes est dentro de la etapa deexplotacin: el ciclo de minado. Es aqu donde seencuentran las operaciones de perforacin y voladura,siendo estas las primeras que se realizan en este ciclo.Teniendo en cuenta que la fragmentacin obtenida como elproducto de las operaciones mineras unitarias binomiales deperforacin y voladura es la variable aleatoria ms
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varios investigadores a nivel mundial han dedicado su vida ainvestigar las operaciones mineras unitarias mencionadasanteriormente.
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Por otro lado, se sabe que las formas ms frecuentes deatacar al macizo rocoso son las siguientes:
Con la energa mecnica producida por la perforadora. Con la energa fisicoqumica producida por la detonacin
de una MEC.En este mdulo se describir, analizar y discutir el ataquemecnico al macizo rocoso por la operacin minera unitariade perforacin.Se debe mencionar que tambin existen otras metodologaspara atacar al macizo rocoso: fuego, energa elctrica e
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r u ca; o en en o me ores resu a os e ragmen ac nde la roca con la energa fsico-qumica producida por la
detonacin de una MEC.
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PLANO TOPOGRAFICO
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Perforacin
Voladura
Mineralin situ
Fragmentacin
Fragmentacin
DIAGRAMA CONCEPTUAL
N. 1
acarreo
Chancadoraprimaria
Conveyor
Chancadora
Transporte
Fragmentacin
Transporte
ues ra c mo a var a e
aleatoria fragmentacin
interrelaciona a todas las
operaciones de un complejo
minero-metalrgico.
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secundaria
Molienda
Siguientes etapas delprocesamiento de
minerales
Fragmentacin
Fragmentacin
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PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION
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Introduccin
PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION
,debe conocer al macizo rocoso en toda su dimensin en lossiguientes trminos:
Mecnica de rocas Geomecnica Geolo a estructural, etc.
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Como se sabe, el macizo rocoso es totalmente aleatorio;cuanto ms se conozca el macizo rocoso, se obtendrmejores resultados: fragmentacin de la roca.
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Modelogeolgico ModelogeomecnicoModelo
matemtico
Caractersticas de la muestrade roca intacta
Clasificaciones geomecnicas
Estado de la tensin de los
Anlisis de tensiones
Relaciones tenso-escr pc n e as
discontinuidades
Caracterizacin del macizorocoso
Sondajes
Hidrogeologa
Mtodos geofsicos
macizos rocosos
Resistencia de los macizosrocosos
deformacionales
Diseo de excavaciones
Diseo de los sistemassostenimiento
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Litologa
Meteorizacin
Estructuras geolgicas
Caractersticas geomecnicasde las discontinuidades, etc.
Calidad del macizo rocoso
Tensiones naturales
Propiedades mecnicas de lasdiscontinuidades
Propiedades mecnicas de losmateriales, etc.
Equilibrio lmite
Modelos continuos
Modelos discontinuos
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Propiedadesfsicas
MECANICA DE ROCAS
Mecnicade rocas
Propiedadesmecnicas
Teora de
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Teora de laelasticidad
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Las caractersticas fsico-mecnicas del macizo rocoso semencionarn en forma general.
MECANICA DE ROCAS
Densidad
Propiedades fsicas )/( 3mgDensidadVolumen
naturalPeso
Gravedad especfica (G)
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Porosidad (n)
Permeabilidad, etc.
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PROPIEDADES MECANICAS
Ensayo de compresin uniaxial
Ensayo de carga puntualEnsayo de corte directonsayo para a e erm nac n e cons an es e s cas
Ensayo de compresin triaxialEnsayo de traccin indirecta (brasilero)
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TEORIA DE LA ELASTICIDAD
La teora de elasticidad aplicada para el diseo deestructuras rocosas
Para el diseo de estructuras rocosas, se ha venido
asumiendo las propiedades elsticas de la roca y llevar
acabo dicho anlisis matemtico basado en la teora de la
elasticidad. Tales diseos a veces son exitosos, otros
parcialmente en caso de taludes y cimentaciones.
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Por lo tanto, es muy importante definir los lmites de
aplicabilidad de la teora de la elasticidad para el diseo en
estructuras rocosas.
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Se ha mostrado por definicin de la elasticidad que las
rocas no son puramente elsticas, pero que algunas tienen
propiedades deformacionales aproximadamente a la forma- ,
grano fino y rocas masivas con bajos niveles de esfuerzos.
Por lo dicho anteriormente, se debe establecer el
conocimiento de que las rocas por naturaleza son
normalmente discontinuas, conteniendo varios tipos de
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scon nu a es geo g cas es ruc ura es ac asas, a as,
contactos, estratos, etc.) que adems pueden contener
agua en cantidades variables.
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Para la determinacin de los lmites de la teora de laelasticidad, se debe tener en cuenta algunos factores de
las estructuras de la roca.
Sin embargo, generalmente se debe seguir ciertos
lineamientos ya establecidos.
Las estructuras rocosas cercanas a la superficie no
debern ser tratadas como un medio elstico continuo,
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no obstante que las propiedades del material rocoso
(muestra) pueden ser cercanamente elsticos, a menos
que est presente un mnimo de discontinuidades.
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Para el criterio de diseo en un macizo rocoso, se debe
tener en cuenta la friccin y las discontinuidadesestructurales.
Las estructuras rocosas con algunas fracturas
cercanamente ubicadas no debern ser tratadas como un
medio elstico continuo.
Las rocas con E < 5 x 105 kg/cm2 no debern ser
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consideradas como un medio elstico, excepto tomando
ciertas precauciones.
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E
El mdulo de elasticidad de Young (E)
E: mdulo de elasticidad o modulo de Young: esfuerzo
CONSTANTES ELASTICAS
z
x
3
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3,
KModulusBulk
: deformacinLa relacin Poisson () ndice de bulk o compresibilidad
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Modulo de rigidez (G) Constante de Lame ()
)1(2
EG
)21)(1(
E
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TEORIA DE FALLAS
Para el presente curso, solo se mencionarn las teoras defallas propuestas por los investigadores, porque estas ya
Criterio de falla de Mohr (roca sin cohesin)Criterio de falla de Coulomb
.
Cabe enfatizar que la teora ms usada es la de Hoek &Brown.
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-Criterio de falla de Griffith
Criterio de falla de Griffith (modificado)Criterio de falla de Hoek & Brown
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An empirical criterion of failure defined by the envelope to aseries of Mohrs circles: A. direct tension; B. Brazilian; C.
unconfined compression; D. triaxial compression.
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The Mohr-Coulomb failure criterion with a tension
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Comparison of empirical of envelope and Mohr-Coulomb
criterion in the tensile region. Inside the ruled region, the Mohr-Coulomb criterion with tension cutoff overestimates the stength.
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ANALISIS DE LOS ESFUERZOS YDEFORMACIONES DEL MACIZO ROCOSO
Las propiedades mecnicas de las rocas son gobernadas por la reaccinde estas a las fuerzas, actuando sobre ellas.
s os es uerzos n ucen a a roca un es a o e a am en o, una can acon la dimensin de fuerza por rea unitaria, y un estado dedeformacin, una cantidad adimensional expresando la deformacin entrminos de la dimensin original.
La relacin entre esfuerzo y deformacin en un material idealizado formala base de las teoras matemticas de elasticidad, viscosidad y reologa;las cuales pueden a su vez ser aplicadas a materiales reales (en este
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de fuerzas definido.
El entendimiento de los esfuerzos y deformaciones y, de los principalesesfuerzos y el anlisis de las deformaciones es, por lo tanto, muyimportante para el ingeniero encargado de disear excavaciones dentrodel macizo rocoso.
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Es la fuerza interna por unidad de rea cuando dicha rea
tiende a cero.
s uerzo norma . s a componente norma e
esfuerzo: la componente perpendicular al plano sobre el
cual acta el esfuerzo.
Esfuerzo tangencial (). Es la componente tangencial del
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esfuerzo: la componente paralela al plano sobre el que
acta el esfuerzo.
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Considerando la siguiente figura, se puede escribir lo
ESFUERZOS Y DEFORMACIONESAXIALES
Esfuerzo axialA
PstreesAxial A :
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Deformacin axialL
LstrainAxial A
:
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A
A vs. A para rocas elsticas ideales, lascuales no son isotrpicas.
DescargandoA
ASlope
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Cargando
A
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A
L
P
L
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Cuando se obtienen taludes muy inclinados, es por que lacarga actu muy rpidamente sobre el espcimen.
La mayora de las rocas no son idealmente elsticas.
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GEOMECANICA
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RQD
D. Deere
Palmstrm
ndice de calidadgeomecnica delmacizo rocoso
Hudson
RMR Bieniawski
Q
RSR Wikham
N. Barton
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RMi
GSI Hoek &Marinos
Palmstrom
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DEFINICION
Segn Bieniawski, es la ciencia e ingeniera que estudialos suelos los materiales rocosos lo mismo ue a losmacizos rocosos. Este es un campo de prcticaprofesional e investigacin que trata de lo anteriormentemencionado.
La geomecnica contribuye a un nmero de disciplinastales como Ingeniera de Minas, Civil, Geolgica, Petrolera
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.disear y construir algunos proyectos, tales como minas,tneles, cimentaciones, estabilidad de taludes, piques,perforaciones en la bsqueda de petrleo y gas, etc.
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La geomecnica permite mejorar ambos: el ambiente dondevivimos y la calidad de vida de los habitantes del planeta
Tierra.
Conocer las caractersticas geomecnicas de las rocaspara minimizar y/o evitar el deslizamiento de los taludes.
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CARACTERIZACION GEOMECANICA DELMACIZO ROCOSO
Para utilizar el mapeo geolgico y geomecnico de las,
cuantificar sus efectos en el proceso de excavacin de dichomacizo.
A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificacin ycaracterizacin del macizo rocoso, pero los ms usados son
los si uientes:
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Rock Quality Designation (RQD-Index)Rock Mass Rating System (RMRs-value)Rock Mass Quality (Q System-value)
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Estos sistemas han sido desarrollados principalmente paraevaluar la reduccin de la estabilidad de un macizo rocosointerceptado por algunos planos.
Sin embargo, ellos tambin pueden proveer cierta ayuda
rocoso durante el proceso de excavacin.
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ROCK QUALITY DESIGNATION RQD
El gelogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba sutrabajo profesional en el mbito de la mecnica de rocas,postul que la calidad estructural de un macizo rocosopue e ser es ma a a par r e a n ormac n a a por arecuperacin de testigos intactos. Sobre esta base proponeel ndice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation).
El RQD se define como elporcentaje de testigos
recuperables con una longitud
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mayor o igual a 10 cm.
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Basndose en los rangos de los valores del RQD, el macizo
10010
x
totalLongitud
cmtestigosdetotalLongitudRQD
rocoso puede ser caracterizado segn la valoracinsiguiente:
RQD (%) Calidad de la roca
100-90 Muy buena
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- uena
75-50 Mediana
50-25 Mala
25-0 Muy mala
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En caso que no se cuente con testigos adecuados,Palmstrm (1982) propone que el RQD puede ser calculado,definiendo un RQD superficial segn la siguiente expresin
matemtica:
Jv: nmero de contactos por m3
Jv: Jx + Jy + JzPara Jv < 5 RQD = 100
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(%)3.3115 vJxRQD
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Priest y Hudson (1976) proponen el RQD, el cual puedeser calculado usando la siguiente expresin matemtica:
.. e
idadesdiscontinuN.
Donde
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m
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Desarrollado en Sudfrica por Z. T.Bieniawski en 1973 y posteriormente
RMR (ROCK MASS RATING) DE BIENIAWSKI1979
modificado por l mismo en 1976 y en1979. Tambin es conocido como CSIR(South African Council for Scientific andIndustrial Research) (Consejo de fricadel Sur para la Investigacin Cientfica eIndustrial).
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Actualmente, se usa la edicin de 1989 que coincide
sustancialmente la con de 1979. Para determinar el ndiceRMR de calidad de la roca, se hace uso de los parmetrosdel macizo rocoso que se mencionan posteriormente.
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ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRS)Esta caracterizacin ingenieril de los macizos rocososutiliza los siguientes seis parmetros, los cuales sonmedibles en el campo y tambin pueden ser obtenidos dela base de datos (laboratorios).
1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc)
2. Designacin de calidad de roca (RQD)
3. Espaciamiento de las discontinuidades
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.
5. Condicin de agua subterrnea
6. Orientacin de las discontinuidades
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Valores de los cinco parmetros que intervienen
1. Resistencia a la compresin de la roca alterada:Bieniawski emplea la clasificacin de la resistencia a lacompres n un ax a e a roca que proponen eere yMiller, como alternativa se podr utilizar la clasificacinde carga de punta para cualquier tipo de roca, excepto lamuy frgil.
2. RQD: ndice de calidad de la roca segn Deere y Miller.
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3. Espaciamiento de las discontinuidades: es decir, de las
fallas, de los planos de estratificacin y otros planos dedebilidad.
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4. Condiciones fsicas y geomtricas de lasdiscontinuidades: este parmetro toma en cuenta laseparacin o abertura de las fisuras, su continuidad, larugosidad de su superficie, el estado de las paredes
discontinuidades.
5. Presencia de agua subterrnea: se intenta medir lainfluencia del flujo de las aguas subterrneas sobre laestabilidad de las excavaciones en funcin del caudal
ue existe en la excavacin , de la relacin entre la
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presin del agua en las discontinuidades y el esfuerzoprincipal.
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El valor del RMR se calcula de la siguiente manera:
Valor de un parmetro individual
654321 RMR
Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidospor el valor RMR:
RMR Clase N. Clasificacin
100-81 I Roca muy buena
81-60 II Roca buena
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60-41 III Roca regular
40-21 IV Roca pobre
< 20 V Roca muy pobre
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Ensayo de Carga Puntual
(Mpa)
> 10 4 - 10 2 - 4 1 - 2Valores bajos, efectuarensayos compresin
uniaxial
Resistencia
rocaintacta
Compresin Simple(Mpa)
> 250 100 - 250 50 - 100 25 - 50 5 - 25 1 - 5 < 1
1
Valoracin 15 12 7 4 2 1 0
TABLA I
RQD 90% - 100% 75% - 90% 50% - 75% 25% - 50% < 25%2
Valoracin 20 17 13 6 3
Separacin entre diaclasas (m) > 2 0.6 - 2 0.2 - 0.6 0.06 - 0.2 < 0.063
Valoracin 20 15 10 8 5
Estado de las diaclasas
Muy rugosas,discontinuas,
cerradas, bordessanos y duros
Algo rugosas,separacin < 1mm, bordes
duros
Algo rugosas,separacin < 1mm, bordes
blandos
Espejos de falla,relleno < 5 mm,separacin 1 - 5mm, diaclasas
continuas
Relleno blando > 5 mm,separacin > 5 mm,diaclasas continuas
4
Valoracin 30 25 20 10 0
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Caudal / 10mde tnel(l/min)
Nulo < 10 10 - 25 25 - 125 > 125
Presin de agua 0 0 - 0.1 0.1 - 0.2 0.2 - 0.5 > 0.5
Aguafretica
Estado general SecoLigeramente
hmedoHmedo Goteando Fluyendo
5
Valoracin 15 10 7 4 0
50
CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO
POR N. BARTON.Este sistema es uno de los ms usados en nuestro medio,debido a la interrelacin con el sistema de clasificacin deBieniawski RMRs . Primero se calcula el RMRs lue o sedetermina el valor de Q.
Un sistema estructural de macizosrocosos, orientado tambin a servir enla construccin de tneles, fuedesarrollado por Barton, Lien y Lunden;
investi adores del NGI Norwe ian
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Geotechnical Institute) que se basaronen extensivos estudios en macizosrocosos y en un gran nmero de casosde estabilidad de excavacionessubterrneas.
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RQD : parmetro definido por Deere (1964)Jn : nmero de contactos
El sistema propuesto considera seis parmetros para definirla calidad de un macizo rocoso, que son los siguientes:
Ja : nmero de alteracinJw : condicin de agua subterrnea
SRF : factor de reduccin del esfuerzo(stress reduction factor)
Para calcular el ndice Q se usa la siguiente expresin
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SRFJx
JJx
JRQDQ w
a
r
n
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El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 y1000. Dentro de este rango se definen nueve calidades deroca, tal como se muestra en la tabla siguiente:
Calidad de roca Q. - .
Extremadamente mala 0.01-0.1
Muy mala 0.1-1.0
Mala 1.0-4.0
Regular 4.0-10.0
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. - .
Muy buena 40.0-100.0
Extremadamente buena 100.0-400.0
Excepcionalmente buena 400.0-1000.0
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CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMRS Y
EL Q SYSTEM
Resistencia, rigidez, tamao del bloque,integridad estructural estabilidad, vida til, etc.
RMR 5
Q 9
100
10000.001
0
Barton
Bieniawski
Clasificacin
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RQD 51000 Deere
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GEOLOGICAL STRENGTH INDEX DEHOEK & MARINOS (2000)
El GSI (geological strength index) se basa enestimaciones cualitativas al igual que el RMR.The Geological Strength Index toma en cuenta del macizorocoso lo siguiente:a) La estructura del macizo rocoso considera el grado de
fracturamiento o la cantidad de contactos por metrolineal.1. Roca masiva o levemente fracturada (LF)
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2. Roca moderadamente fracturada (F)3. Roca muy fracturada (MF)
4. Roca intensamente fracturada (IF)5. Roca triturada o brechada (T)
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b) La condicin superficial del macizo rocoso, tal como la
resistencia de la roca intacta y las propiedades de las
discontinuidades: resistencia, apertura, rugosidad,
relleno y la meteorizacin o alteracin.
1. Roca muy buena (MB)
2. Roca buena (B)
3. Roca regular (R)
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4. Roca mala (M)
5. Roca muy mala (MM)
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COMPARACION DE LOS METODOS DEBIENIAWSKI VS. BARTON
La caracterizacin del macizo rocoso propuesta porBieniawski y Barton es de inters especial, puesto queincluye suficiente informacin para poder evaluar losparmetros del macizo rocoso que tienen influencia en laestabilidad de una excavacin subterrnea como entaludes en roca.
Bieniawski da ms im ortancia a la orientacin a la
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inclinacin estructural de la roca y ninguna a los esfuerzosen la roca.
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Barton no incluye o no considera el factor de la orientacinde los contactos, pero s considera las propiedades de los
sistemas de contactos ms desfavorables al evaluar larugosidad de los contactos y su grado de alteracin. Ambosrepresentan la resistencia al esfuerzo cortante del macizorocoso.
Estos dos sistemas sealan que la orientacin y lainclinacin de las estructuras son de menos importancia, yla diferencia entre favorable y desfavorable es adecuadaara los casos rcticos.
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Existen algunos materiales como la pizarra que tiene
caractersticas estructurales tan importantes que tienden adominar el comportamiento de los macizos rocosos.
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En otros casos, grandes bloques quedan aislados por
discontinuidades y causan problemas de inestabilidad
durante la excavacin, para estos casos los sistemas de
clasificacin descritos sern quizs no adecuados y se
necesitarn consideraciones especiales para la relacin
entre la geometra del macizo rocoso y la excavacin.
Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas
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, ,
clasificacin de Bieniawski es poco aplicable.
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Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se
recurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para
mayor seguridad, estas caracterizaciones se deben tomar
como guas y, es mejor aplicar ciencia y tecnologa con
modelos matemticos.
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RECOMENDACIONESSe sabe que las diferentes caracterizaciones del macizorocoso que existen a nivel mundial, postuladas por losdiversos investigadores, son empricas. Por ello, se debentomar como tal; es decir, como una gua.
Estas caracterizaciones se han realizado en otros pasesde diferentes condiciones al Per.
Para que estas caracterizaciones dejen de ser empricas
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e e acerse uso e os eren es mo e os ma em cosde la investigacin de operaciones y darles un cierto gradode confiabilidad.
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GEOLOGIA ESTRUCTURAL
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La geologa estructural est directamente relacionada conotras ramas de la geologa.
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