CURSO DE ACTUALIZACIONConceptos de Mecánica de Rocas

Bloques intactos(Roca intacta)

MECANICA DE ROCAS

Comportamiento mecánico de la roca y de los macizos rocosos; respuesta al campo de fuerzas de su entorno físico”

DEFINICION

Ref.: U.S. National Comitte on Rock Mechanics - 1974

MECANICA DE ROCAS

INTEGRACION CON OTRAS AREAS:

Respuesta mecánica de todos los materiales geológicos, al campo de fuerzas de su entorno físico, como:

GeologíaGeología estructuralHidrogeología GeofísicaMecánica de suelos

TODO ESTO EN CONJUNTO SE DENOMINA:

GEOMECANICA

ESTABILIDAD DE TALUDES DE MINAS A TAJO ABIERTO

• ANGULOS DE TALUDES MAS EMPINADOS PERMITEN EXTRAER MAYOR CANTIDAD DE MINERAL Y DISMINUIR LA CANTIDAD DE DESMONTE. EL IMPACTO SOBRE LA ECONOMIA DE LA MINA ES OBVIO.

• LOS BENEFICIOS ECONOMICOS QUE SE PUEDEN TENER CON TALUDES EMPINADOS PUEDEN TORNARSE EN PERDIDAS POR FALLAS IMPORTANTES DE LOS TALUDES.

POR TANTO: LA EVALUACON DE LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES EN LA MINERIA A TAJO ABIERTO ES MUY IMPORTANTE

DEBE HABER COMPATIBILIDAD ENTRE LA SEGURIDAD, LA ECONOMIA Y LOS PROCEDIMIENTOS OPERACIONALES

SEGURIDAD, ECONOMIA Y PROCESOS OPERACIONALES

APLICACIONES EN LAS DIFERENTES FASES DEL MINADO A TAJO ABIERTO

• ESTABILIDAD DE TALUDES EN EL PLANEAMIENTO Y DISEÑO DE UNA MINA

• ESTABILIDAD DE TALUDES DURANTE LA VIDA DE OPERACIÓN DE UNA MINA

• ASPECTOS DE FALLA DE TALUDES

FACTORES GEOMECANICOS QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES

• DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES MENORES (Diaclasas, estratos y otros):- Reducen la resistencia al corte- Cambian la permeabilidad- Actúan como superficies de drenaje y planos potenciales de falla

• DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES MAYORES (Plegamientos y fallas):- Intemperización y alteración a lo largo de las fallas- Actúan como conductos del agua subterránea- Constituyen probables planos de falla

• PROPIEDADES DE RESISTENCIA DE LA ROCA, DISCONTINUIDADES Y MASA ROCOSA:- Determinan las fuerzas resistentes que se oponen a la falla del talud

• HIDROGEOLOGIA:- Alteran los parámetros de cohesión y fricción- Reducen los esfuerzos efectivos normales y la resistencia al corte

• VOLADURA Y ACELERACION SISMICA:- Causan movimientos del terreno- Fracturamiento de la roca

• ESFUERZOS REGIONALES:- Influyen en los esfuerzos de campo alrededor de los taludes

• ELEMENTO TIEMPO:- Condicionan la duración de la estabilidad de los taludes

MEDIDAS EN EL NIVEL I DE VIGILACNCIA

ESTRUCTURA

MODELO

GEOLOGICO

METEORIZACIONCARACTERESGEOMECANICOS

DISCONTINUIDADES

PROPIEDADES MECANICAS

MACIZOS ROCOSOS

PROPIEDADESMECANICAS

DISCONTINUIDADES

METODOS EXACAVACION

MODELOS NUMERICOS

MODELOS DEEQUILIBRIO

LIMITE

PROPIEDADES MECANICAS

MATERIALES

TIPO ROTURA

MONITOREO

MODELO

MATEMATICO

HIDROGEOLOGIA LITOLOGIA

MODELO

GEOTECNICO

ESTUDIO GEOTÉCNICO

PROGRAMA DE ESTUDIOS DE LAESTABILIDAD DE LOS TALUDES

• EVALUACION PRELIMINAR DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

FINALIDAD: DESCARTAR AREAS SEGURAS E IDENTIFICAR AREAS CRITICAS

• ESTUDIOS DETALLADOS DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

FINALIDAD: ENFOCAR ATENCION EN LAS AREAS CRITICASIDENTIFICADAS

EVALUACION PRELIMINAR DE LOS TALUDES

COMPILACION DE DATOS GEOLOGICOS

• Aerofotografías• Mapeos superficiales• Registros de testigos de perforaciones diamantinas

ANALISIS PRELIMINAR DE DATOS GEOLOGICOS

• Modelo geológico predominante• Relación del modelo geológico con los taludes propuestos

EVALUACION DE LA ESTABILIDAD

• Taludes con estabilidad favorable que no requieren análisis posteriores – Los procedimientos operacionales determinanlos ángulos de taludes

• Taludes con estabilidad crítica que requieren de mayores análisis

ESTUDIOS DETALLADOS DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

INFORMACION BASICA

• Investigaciones geológicas detalladas del área• Caracterización de la masa rocosa• Determinación de las propiedades de resistencia

de la roca, discontinuidades y masa rocosa• Evaluaciones hidrogeológicas• Evaluaciones del riesgo sísmico y voladuras

CALCULOS DE ESTABILIDAD

• Zonificación geomecánica o sectorización del tajo• Determinación de los mecanismos de falla• Determinación del grado de estabilidad (FS)• Establecimiento de las alternativas de solución

Estabilización de los taludesAceptar el riesgo de falla

METODOS DE MAPEO GEOMECANICO

MAPEO DE AFLORAMIENTOS ROCOSOS

• Líneas en detalle• Celdas en detalle• Fotogrametría

MAPEOS EN PROFUNDIDAD

• Testigos orientados• Endoscopia (cámaras TV)

METODOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES DE RESISTENCIA DE LA ROCA

• ENSAYOS DE LABORATORIO

• ENSAYOS IN-SITU

• RETROANALISIS (BACK ANALYSIS)

• CRITERIOS DE FALLA

MECANISMOS BASICOS DE FALLA DE LOS TALUDES

• Fallas planares• Fallas en cuña• Fallas por vuelco• Fallas circulares • Fallas no circulares

METODOS DE CALCULO DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

• METODOS GRAFICOS

• METODOS ESTEREOGRAFICOS

• METODOS ANALITICOS DE EQUILIBRIO LIMITE

• METODOS NUMERICOS

Análisis esfuerzo/deformación (Elementos finitos,Elementos de borde, Elementos distintos, etc.)

CLASIFICACION GEOMECANICA DE LA MASA ROCOSA

Antecedentes sobre clasificaciones de la masa rocosa en ingeniería

Ritter (1879): Primer intento de formalizar un enfoque empírico para el diseño de túneles, en particular para determinar los requerimientos de sostenimiento.

Terzaghi (1956): Primera referencia sobre el uso de una clasificación de la masa rocosa para el diseño del sostenimiento de túneles, con cimbras.

Lauffer (1958): Clasificación que involucra el tiempo de autosostenimiento para túneles.

Deere et al. (1964): Indice RQD (Designación de la Calidad de la Roca), para proveer un estimado cuantitativo de la calidad de la masa rocosa, a partir de los testigos de la perforación diamantina.

Wickham et al.(1972): Método cuantitativo para describir la calidad de una masa rocosa y para seleccionar el sostenimiento, en base a la Valoración de la Estructura Rocosa (RSR - Rock Structure Rating). Primer sistema que hace referencia al shotcrete.

Bieniawski (1973): Clasificación Geomecánica o Valoración de la Masa Rocosa RMR (Rock Mass Rating), refinado sucesivamente en varias oportunidades, última versión 1989. Aplicable a la estimación del sostenimiento, al tiempo de austosostenimiento y los parámetros de resistencia de la masa rocosa.

Barton et.al. (1974): Indice de Calidad Tunelera (Q) para la determinación de las características de la masa rocosa y de los requerimientos de sostenimiento de túneles.

Laubscher et.al. (1977): RMR de Bieniawski modificada para la minería MRMR(Mining Rock Mass Rating), última versión 1990. Aplicable a la estimación del sostenimiento y los parámetros de los métodos de minado por hundimiento, principalmente.

Hoek et.al. (1994): Indice de Resistencia Geológica GSI (Geological StrengthIndex), para clasificar a la masa rocosa, estimar la resistencia de la masa rocosa y el sostenimiento. Ultima versión 1998.

Palmstron (1995): Indice del Macizo Rocoso RMi (Rock Mass Index). Sistema para caracterizar la masa rocosa y para aplicaciones en el sostenimiento, excavación TBM, voladura y fragmentación de rocas.

Objetivos de las clasificaciones de la masa rocosa

Dividir una formación rocosa en grupos de similar comportamiento, es decir, clases de masas rocosas de diferentes calidades.

Relacionar la experiencia de las condiciones de la roca de un lugar a las condiciones y experiencia encontradas en otros lugares.

Obtener datos cuantitativos y guías para el diseño de ingeniería.

Proporcionar una base común de comunicación entre el ingeniero y el geólogo.

Mejora la calidad de las investigaciones del sitio puesto que llama a un mínimo de datos de entrada como parámetros de clasificación.

Proporciona información cuantitativa para propósitos de diseño.

Permite un mejor juicio ingenieril y una comunicación más efectiva en el proyecto.

Principales beneficios de las clasificaciones de la masa rocosa

Indice de designación de la calidad de la roca (RQD)

Longitud total de la corrida de testigos

Longitudes de pieza de testigos > 10 cm

RQD =200

RQD = x 100 %

38 + 17 + 20 + 35 x 100 = 55 %

Longitud total de la corrida de testigos = 200 cm

Ninguna pieza > 10 cm

No recuperado

Interrupción de la perforaciónL = 35 cm

L = 20 cm

L = 0

L = 17 cm

L = 38 cm

L = 0

Tabla 4- Sistema de Valoración de la Masa Rocosa – RMR (Según Bieniawski, 1989).

Tabla 5: Pautas para la excavación y sostenimiento de un túnel rocoso de 10 m de ancho de acuerdo con el sistema RMR (Según Bieniawski, 1989)

En este criterio, para definir la estructura de la masa rocosa, se considera por un lado el grado de fracturamiento o la cantidad de fracturas (discontinuidades) por metro lineal, según esto, se toman en cuenta las siguientes cinco categorías de fracturamiento:

• Masiva o Levemente Fracturada (LF)• Moderadamente Fracturada (F)• Muy Fracturada (MF)• Intensamente Fracturada (IF)• Triturada o brechada (T)

El Indice de Resistencia Geológica GSI Hoek y Marinos (2000)

Por otro lado, se considera la condición superficial de la masa rocosa, que involucra a la resistencia de la roca intacta y a las propiedades de las discontinuidades: resistencia, apertura, rugosidad, relleno y la meteorización o alteración. Según esto, las cinco categorías que se toman en cuenta se definen así:

• Masa rocosa Muy Buena (MB)• Masa rocosa Buena (B)• Masa rocosa Regular (R)• Masa rocosa Pobre (P)• Masa rocosa Muy Pobre (MP)

En los siguientes cuadros se presenta el criterio GSI modificado. En el criterio original se consideran 6 categorías de masas rocosas, pero en este criterio modificado se consideran 5 categorías, para compatibilizar este criterio con el criterio RMR.

ZONIFICACION DE CALIDADES DE MASAS ROCOSAS

CONSTANTES ELASTICAS DE LA ROCA INTACTA

RESISTENCIA AL CORTE DE DISCONTINUIDADES

Resistencia al corte en superficies planares

Esquema de un ensayo:

Cada espécimen es sometido a un esfuerzo σn normal a la supeficie planar y a un esfuerzo de corte τ, requerido para causar un desplazamiento δ.

Relación entre esfuerzo de corte y desplazamiento de corte:

El esfuerzo de corte se incrementará rápidamente hasta alcanzar una resistencia pico. Esto corresponde a la falla del material cementante que mantiene unidos las dos mitades del espécimen en el plano de la discontinuidad. Conforme el desplazamiento continúa, el esfuerzo cortante disminuirá hasta un valor residual el cual permanecerá constante aún para grandes desplazamientos de corte.

φστ tannp c +=

La relación entre la resistencia al corte pico τp y el esfuerzo normal σn, puede ser representada por la ecuación de Mohr – Coulomb:

donde c es la resistencia cohesiva de la superficie cementada y φ es el ángulo de fricción.

Gráfico de las resistencias al corte pico y residual versus los esfuerzos normales:

En el caso de la resistencia residual, la cohesión c cae a cero y la relación entreτr y σn puede ser representada por:

donde φr es el ángulo de fricción residual.

El ángulo de fricción básico φb es aproximadamente igual al ángulo de fricción residual φr , pero este es generalmente medido mediante ensayos aserrados o superficie rocosa del terreno. Estos ensayos pueden ser efectuados sobre superficies tan pequeñas como 50 mm x 50 mm, las cuales producen como gráfico una línea recta definida por la ecuación:

rnr φστ tan=

bn φστ tan=

Estimación de campo del JRC

Perfiles de rugosidad y rango correspondiente de valores JRC (Barton & Choubey,1977)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 5 cm 10

• El criterio de falla debería dar un buen grado de concordancia con los valores de resistencia de la roca determinada a partir de ensayos triaxiales de laboratorio sobre muestras de testigos de roca intacta. Estas muestras típicamente tienen 50 mm de diámetro y deben estar orientadas perpendicularmente a cualquier superficie de discontinuidad en la roca.

• El criterio de falla debería ser expresado por ecuaciones matemáticas simples, basadas en la máxima extensión posible, en parámetros dimensionales.

• El criterio de falla debería ofrecer la posibilidad de extenderse para tratar con la falla de masas rocosas diaclasadas.

Criterio de falla de Hoek & Brown (1994)

En el desarrollo de su criterio empírico de falla, Hoek & Brown intentaron satisfacer las siguientes condiciones:

Criterio de falla de Hoek & Brown (1994) para rocas intactas

El criterio de falla para rocas intactas de Hoek y Brown puede ser expresado de la siguiente forma:

dónde: σ1’ es el esfuerzo efectivo principal mayor en la fallaσ3’ es el esfuerzo efectivo principal menor en la fallaσc es la resistencia compresiva uniaxial de la roca intactami es la constante del material para la roca intacta

21

331 1''' ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++=

cic mσσσσσ

σc debe ser determinado, siempre que sea posible mediante ensayos de laboratorio sobre testigos 50 mm de diámetro y 100 mm de longitud.

Si las probetas ensayadas fueran de menores dimensiones, la resistencia compresiva uniaxial equivalente a especimenes de 50 mm, pueden ser estimados a partir de (Hoek & Brown, 1980)

• La relajación de los esfuerzos.

• Los daños por la voladura

FACTORES ADICIONALES QUE AFECTAN A LA RESISTENCIA DE LA MASA ROCOSA

LABORATORIO MECANICA DE ROCAS

PREPARACION DE PROBETASENSAYO DE PROPIEDADES FISICASENSAYO DE COMPRESION UNIAXIALENSAYO DE CARGA PUNTUALENSAYO DE REBOTE CON MARTILLO SCHMIDTENSAYO DE TRACCION METODO BRASILEROENSAYO DE COMPRESION TRIAXIALENSAYO DE CONSTANTES ELASTICASENSAYO DE CORTE DIRECTO

EQUIPOS

SONDA SACATESTIGOS(OBTENCION DE TESTIGOS)

CORTADORA DE DISCO DIAMANTINO(OBTENCION DE ESPECIMENES PARAENSAYOS)

SECCION PREPARACION DE PROBETAS

SONDA SACATESTIGOS

CORTADORA DE DISCO DIAMANTINO

BALANZA DE PRECISON

HORNO VENTILADO

ENSAYO DE COMPRESION UNIAXIAL EN ROCA INTACTA

OBJETIVO:

DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESION UNIAXIAL DE LA ROCA INTACTA

EQUIPO PRENSA HIDRAULICA

PROCEDIMIENTO

cilíndricaProbeta rocosa

hidráulicade la prensa

Platos de carga

P

P = carga de rotura

=2

D

LD L

RESISTENCIA COMPRESIVA UNIAXIAL

P = carga de roturaD = diámetro de la probeta

24DP

c πσ =

ProbetaAreaPCarga=

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

OBJETIVO:

DETERMINAR EL INDICE DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUAL (COMPRESION FRANKLIN Y TRACCION LOUIS)

EQUIPO MAQUINA DE ENSAYO DE CARGA

PUNTUAL

PROCEDIMIENTO

2DPIs =

D = diámetro del testigo

P = carga de rotura

P

Testigo rocosoConos de carga

D

ENSAYO FRANKLIN

Indice de resistencia a la carga puntual

Sigma c = 24xIs (Para testigos NX – 54mm)

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL EN ROCA INTACTA

OBJETIVO:

DETERMINAR LOS PARAMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE (COHESION Y ANGULO DE FRICCION INTERNA) Y LA CONSTANTE “mi” DE LA ROCA INTACTA

EQUIPO: MAQUINA DE COMPRESION TRIAXIAL

CELDA TRIAXIAL HOEK

PROCEDIMIENTO

Sigma3 Sigma3

Sigma1

Sigma1

ENSAYO DE CORTE DIRECTO

OBJETIVO:

DETERMINAR LOS PARAMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE EN DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES DE LA MASA ROCOSA

MAQUINA DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO

PREPARACION DE PROBETA DE ENSAYO

Sigma

Sigma

Tau

Tau

ANALISIS CINEMATICO – DIPS ROCSCIENCE

PLOT PROCESS

MECANISMOS DE ROTURA EN TALUDES

BLOQUEO DE UNA AUTOVÍA POR UNA ROTURA PLANA

CANTABRIA

Invierno- 2004

ROTURA EN CUÑA INCIPIENTE Y GRANDE:

GEOMECANICA Y VOLADURA

RESULTADOS DE LAS VOLADURAS

BUENA VOLADURA EN UNA MINA A CIELO ABIERTO

RESULTADOS DE LAS VOLADURAS

MALA VOLADURA EN UNA MINA A CIELO ABIERTO

ESTRUCTURAS Y VOLADURA

MONITOREO DE TALUDES EN

MACIZOS ROCOSOS

Algunas consideraciones...

• Las roturas no se producen de forma “espontánea”

• La mayor parte de las roturas tenderán a un equilibrio final

• Los taludes que van a romper casi siempre “avisan”

Estabilización-Generalidades

SistemasSistemasDespDesp. superficiales. superficiales

SistemasSistemasDespDesp. profundos: inclin. profundos: inclinóómetro.metro.

Cemento

Cemento

Tapón de fondo

Tubería inclinométrica

Empalme

Tapa de protección

Gravilla y arena gruesa

Sonda Lectura

Sondeo

Pernos montaje trípode

INCLINOMETRO

D

D = MAXIMO DESPLAZAMIENTO

ADMISIBLE

SistemasSistemasDespDesp. profundos: inclin. profundos: inclinóómetro.metro.

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

D ESPLA ZA M IEN TO ( mm)

0 4 / 0 3 / 0 2

1 8 / 0 4 / 0 2

0 5 / 0 6 / 0 2

0 3 / 0 7 / 0 2

2 4 / 0 7 / 0 2

1 8 / 0 9 / 0 2

0 75- 75- 150

60

50

40

30

20

10

0

60

50

40

30

20

10

0

- 150 75- 75 0 150

150DESPLAZAMIENTO ( mm ) DIRECCION A

PR

OF

UN

DID

AD

( m

)

0 75- 75- 150

60

50

40

30

20

10

0

60

50

40

30

20

10

0

- 150 75- 75 0 150

150DESPLAZAMIENTO ( mm ) DIRECCION A

PR

OF

UN

DID

AD

( m

)