Estudio De Mecánica De Rocas.doc

VERA & MORENO S.A. Consultores de Ingeniería Actualización y Complementación de los Estudios Definitivos para el mejoramiento a nivel de asfaltado de la Carretera: HUANCAYO – IMPERIAL – IZCUCHACA – MAYOC – HUANTA – AYACUCHO; tramo: IMPERIAL – IZCUCHACA

ESTUDIO DE MECANICA DE ROCAS

1.

0

INTRODUCCION

En este capítulo se describen los trabajos de mecánica de rocas aplicados al estudio de estabilidad de los taludes de los macizos rocosos existentes en los tramos críticos de la carretera Imperial – Izcuchaca. Para evaluar los macizos rocosos que componen los taludes en los tramos críticos fue necesario realizar una investigación de campo que consistió en realizar el mapeo de discontinuidades del macizo rocoso, obtención de muestras de roca para realizar ensayos in-situ de esclerometría (Martillo Schmidt), así como lograr muestras para realizar ensayos de laboratorio: carga puntual, peso específico, absorción, densidad. En base a los resultados de las investigaciones de campo y de los ensayos de laboratorio se realizó la clasificación del macizo rocoso en base a los métodos de RMR-SMR (Bieniawski y Romana). En este capítulo se presenta los resultados de esta evaluación. 2.0

INVESTIGACION DE CAMPO Para realizar la clasificación geomecánica del macizo rocoso en los taludes inestables rocosos de la carretera Imperial - Izcuchca, fue necesario realizar el mapeo geológico - estructural para determinar el comportamiento geomecánico de los diferentes afloramientos rocosos que tiene como características principales la resistencia de la roca intacta, el grado de fracturamiento, el número y distribución de las discontinuidades de la roca. La toma de datos de campo de discontinuidades se analizó con el programa de cómputo Conteo, que de todos los valores de dirección de buzamiento y buzamiento separa o agrupa los que tienen orientaciones similares agrupándolos en familias, empleando para ello las proyecciones estereográficas, obteniendo como resultado un diagrama estadístico de las discontinuidades con sus respectivos porcentajes. Todos los datos que alimentaron a este programa se obtuvieron en el campo tomando las direcciones de buzamiento y buzamiento de cada discontinuidad encontrada en el tramo analizado. El programa también realiza el análisis de los tipos de falla: planar, por cuña o por volteo posibles entre los principales planos de discontinuidades y la orientación del talud.

Informe Final

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El estudio de discontinuidades se realizó en las Estaciones M-4, M-5, M-12, M13, M-14, M-16, M-17, M-18, M-20, P-1, P-2, P-2-1. Con el objeto de determinar los parámetros de resistencia cortante de la roca intacta, se realizaron los ensayos de carga puntual y de esclerometría o Martillo Schmidt. Se presenta a continuación el detalle de las localizaciones en donde se ejecutaron las investigaciones de campo de mecánica de rocas de discontinuidades, ensayos de carga puntual y Martillo Schmidt.

3.0

CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

3.1

Consideraciones Generales El comportamiento geomecánico de una masa rocosa depende de tres aspectos fundamentales que están interrelacionados entre sí. La resistencia de la roca intacta, es decir el comportamiento de un espécimen de la roca exenta de discontinuidades y fisuras, cuya resistencia responde a las propiedades coligativas de la molécula de los minerales que la conforman, así como al material cementante que los une, si es el caso. El segundo aspecto está referido al grado de fracturamiento o al número y distribución de discontinuidades que afectan a la masa rocosa. Un macizo rocoso puede abarcar a una masa sólida, continúa, o bien llegar hasta el extremo de tener tantas fisuras que en conjunto se comportará como si estuviera compuesta de partículas íntimamente embonadas, sin resistencia alguna en condiciones de no-confinamiento. Los planos de las discontinuidades ofrecerán diferentes grados de resistencia según estén cerradas, según la rugosidad que tengan, si estando abiertas posean material de relleno o no, y del tipo de material de relleno; así tendremos que fisuras cerradas, con propagaciones irregulares y superficiales muy rugosas ofrecerán mayor resistencia a los esfuerzos de corte que interesan a la estabilidad interbloques, que si se tratara de fracturas planas, de superficies lisas y rellena de arcillas sensibles, por ejemplo.

El tercer aspecto está referido a los esfuerzos activos que actúan en el macizo rocoso. Por un lado están los esfuerzos tensionales que transmiten las presiones hidrostáticas de las aguas subterráneas en las discontinuidades, y por otro lado, los esfuerzos debido a cargas Informe Final

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litostáticas con las subsecuentes deformaciones y esfuerzos horizontales, y los procesos de descompresión que pueden darse en las excavaciones y afloramientos. De las consideraciones anteriores, fácilmente se deduce la imposibilidad de recoger la totalidad de la información necesaria para evaluar el comportamiento del macizo rocoso, y más aún integrarlos para llegar a una solución única. Sin embargo, las clasificaciones geomecánicas de macizos rocosos son la alternativa que se nos brinda por ahora para simplificar las evaluaciones en el campo de la mecánica de rocas, ante otra alternativa: ensayos in situ a gran escala, de difícil montaje y elevado costo.

3.2

Clasificaciones Existentes Las clasificaciones geomecánicas de macizos rocosos son métodos simplificados para definir y controlar la estabilidad de las obras que se ejecuten en éstos, mediante la evaluación de ciertos elementos y procesos que interactúan entre sí. El reconocimiento de la necesidad e importancia de los sistemas de clasificación de los macizos rocosos han sido resaltados en gran número de artículos publicados por varios autores y actualmente son procedimientos ampliamente difundidos y utilizados para satisfacer las necesidades de diseño en el campo de la mecánica de rocas. La sistematización de datos que interesan al comportamiento de los macizos, la integración y verificación de las predicciones en experiencias prácticas, tiene sus inicios en 1946, con el Método Rock Load Classification, del Profesor K. Terzaghi, cuyo propósito fue el de dimensionar las cargas activas que se generan al excavar un túnel y definir los soportes necesarios con cerchas de acero. A este primer intento de clasificación han seguido muchos otros, siendo los más importantes los que se indican a continuación.

Nombre de la Clasificación Clasific. de Cargas de Roca Clasific. de Tiempo de Autosoporte (Stand-Up Time Classification) Designación de Calidad de Roca RQD (Rock Quality Designation) Valuación de Macizos Fisurados RSR (Rock Structure Rating) Valuación de Macizos Rocosos RMR (Rock Mass Rating) Informe Final

Autor, fecha

Aplicación

Terzaghi, K-1946 Lauffer, H – 1985

Tunelería Tunelería

Deere et-al-1967

Reg. Perforación

Wickman -et-al-1972

Tunelería

Bieniawski Z. T-1973

Tunelería, Taludes y Ciment.

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Sistema Q (Q-System) Actualización del Sistema Q (NMT)

3.3

Barton et-al-1974 Grimstad y Barton-1993

Tunelerías y Cámaras Subterr. Tunelerías y Cámaras Subterr.

Clasificación RMR-SMR Este sistema de clasificación fue desarrollado por el profesor Z.T. Bieniaswski, en el Consejo Sudafricano para la investigación Científica e Industrial (CSIR), en 1973 y modificado en 1989. Esta clasificación tiene las siguientes ventajas:

a) b) c)

Proporciona las cualidades para propósitos de diseño Proporciona información cuantitativa para propósitos de diseño Es simple y significativa en términos, pues está basada en parámetros medibles que puede ser determinados rápidamente y a bajo costo. El sistema RMR, como puede apreciarse en la Tabla Nº1, cuenta con cinco parámetros básicos. Cada uno de los parámetros están subdivididos en rangos de aplicación con sus puntuaciones respectivas. 1.

Resistencia de la Roca Bieniawski basa sus valuaciones en rangos de resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta, o de acuerdo al Índice de Carga Puntual (PLT). Este valor se halla en laboratorio con el instrumento respectivo.

2.

Designación de la Calidad de la Roca (RQD) El RQD, propuesto por Deere (1968) es de uso frecuente como una medida de la calidad de los testigos de perforación, en función al fracturamiento del macizo rocoso. El RQD es definido como la relación porcentual de la suma de las longitudes de testigos exentos de fracturas de 10cm, o más, respecto a la longitud perforada.

RQD 

 long.de testigos10cm. x100 Longitud Perforada

Cuando no se cuenta con testigos de perforación es posible estimar el RQD en un afloramiento rocoso, haciendo uso de la siguiente relación propuesta por Barton et-al (1974). Informe Final

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RQD = 115 - 3.3 JV JV = Nº de Fracturas /m3 de roca Precisamente, los valores de RQD se han determinado utilizando la relación anterior.

3. Espaciamiento de Discontinuidades Para esta característica del macizo rocoso, Bieniawski en su clasificación RMR modificada de 1989, considera los rangos recomendados por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas. Este dato se obtiene por observación directa en el campo.

4. Condición de las Discontinuidades Para la evaluación de este parámetro se toma en cuenta la separación o abertura de la discontinuidad, extensión, rugosidad y grado de meteorización de las paredes y tipo de material de relleno. Todos estos datos se obtienen por observación directa en el campo. 5 Condiciones de Agua Subterránea Toma en consideración la influencia del flujo de agua subterránea en rangos de flujo observado, la relación de la presión del agua en las discontinuidades con el esfuerzo principal mayor, o por alguna observación cualitativa general de las condiciones del agua subterránea. RMR Ajustado.- se obtiene a partir del RMR básico (Tabla N° 1) restándole un valor de acuerdo a la dirección de buzamiento y buzamientos de las discontinuidades (muy favorable, favorable, desfavorable, etc) y al tipo de trabajo (túneles, cimentaciones o taludes).

El valor obtenido se conoce como el RMR ajustado. En el análisis que hace el programa RMR-SMR este valor se obtiene directamente, porque el programa pregunta acerca del efectos de las discontinuidades y el tipo de trabajo. La clasificación RMR ha sido complementada con factores de reducción que dependen de la interrelación de los elementos de orientación de las discontinuidades con los del talud, así como los métodos de excavación, en caso se hayan practicado, dando lugar al Sistema de Clasificación de Taludes Rocosos (SMR) (Romana, 1985). La valuación final que se obtiene corresponde a una clase de talud determinada. Informe Final

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Para cada clase de talud, la clasificación SMR del talud rocoso define condiciones de estabilidad del talud; presenta los tipos de falla que pudieran ocurrir y sugiere las medidas correctivas a ser aplicadas. La Tabla Nº2 presenta el grado de dureza de la roca, la Tabla Nº3 clasificación de las condiciones de las discontinuidades; la Tabla Nº4 calidad de la roca, la Tabla Nº 5 el grado de fracturamiento de la roca y Tabla Nº6 el grado de meteorización de la roca. La Tabla Nº7 presenta clasificación de la roca intacta en base a dureza y meteorización.

la la la la

La clasificación de macizos rocosos RMR - SMR para túneles, cimentaciones y taludes ha sido implementada en un programa de cómputo escrito en lenguaje Basic, el cual fue utilizado en el análisis del macizo rocoso.

3.4

Evaluación de Macizos Rocosos Con la finalidad de evaluar cualitativamente la estabilidad de los taludes rocosos que permitan determinar su nivel de riesgo a la inestabilidad del mismo y para determinar cuantitativamente los parámetros de resistencia de los macizos rocosos para el diseño de estabilidad de taludes de la carretera Imperial -Izcuchaca, se ha utilizado la metodología propuesta por Romana (1985) con el programa de cómputo RMR - SMR. Todos los parámetros se han evaluado en los distintos macizos rocosos considerados característicos de la carretera en estudio, para lo cual se ha utilizado la Tabla Nº1 de donde se obtiene el valor de RMR - SMR. Estos parámetros fueron obtenidos en las estaciones geomecánicas del estudio en el campo y los ensayos de laboratorio. Durante la etapa de reconocimiento de campo los taludes evaluados fueron los más característicos en cuanto al tipo de roca y su riesgo de inestabilidad y para uniformizar criterios en cuanto a la obtención de datos de campo, se utilizaron las Tablas Nº 1,2, 3, 4, 5, 6 y 7. De acuerdo al valor SMR obtenido se puede establecer en forma cualitativa el estado del talud rocoso (estable a muy inestable) y las medidas correctivas necesarias. Con los valores de RMR se puede obtener en forma cuantitativa valores de los parámetros de resistencia (cohesión y fricción), para su uso en diseño de taludes rocosos; adicionalmente, a partir del valor de RMR, se puede obtener valores del parámetro de deformación “Em” (Bieniawski, 1978; Serafin y Pereira, 1983), parámetros de resistencia “m y s” (Hoek y Brown, 1985) y algunas otras correlaciones con otros Sistemas de Clasificación (Sistema Q) de amplio uso.

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Las salidas del Programa RMR-SMR se presentan en el Anexo I y II. Los parámetros de resistencia (cohesión y fricción) determinados son consistentes con los valores encontrados en la literatura técnica especializada por lo que serán utilizados en el diseño de taludes rocosos. En cuanto al estado del talud determinado, éstos están de acuerdo a lo observado en campo, por lo que se considera que esta metodología es aplicable para el análisis de otros taludes rocosos de la zona en estudio. Un resumen de la evaluación de los taludes rocosos se presenta en la tabla N°9.

Interpretación de resultados La tabla Nº 9 muestra los resultados del programa RMR-SMR de las estaciones geomecánicas estudiadas. El RMR evalúa la clasificación del macizo rocoso y el SMR analiza la estabilidad y el tipo de fallamiento, proponiendo un soporte para el talud. Finalmente, el resumen de los resultados se muestran en el campo ”ESTADO DEL TALUD” de la tabla Nº 9. El primer resultado de este campo nos muestra la clasificación del macizo rocoso (RMR) en bueno, regular, malo, etc. El segundo y tercer resultado del mismo campo son las salidas del SMR (estabilidad y tipo de fallamiento) como: estable-algunos bloques, parcialmente estable-algunas juntas o muchas cuñas, totalmente estable-ninguno, etc. Finalmente el ultimo resultado es el tipo de sostenimiento que necesitaría el talud (ocasional, sistemático, ninguno, etc) Relación entre los Anexos I, II, III y IV del estudio de Geomecánica de Rocas El Anexo I: Contiene las evaluaciones de RMR –SMR que nos muestra la calidad y estabilidad de macizo rocoso y su posible tipo de falla. El Anexo II: Utiliza los valores SMR (dirección de buzamiento y buzamiento del talud) y el ángulo de fricción interna hallado en la determinación del RMR, para encontrar el tipo de falla predominante a partir de los juegos de familias de discontinuidades que existen en el talud analizado, que previamente fueron analizados por el programa Conteo. El número de familias también se emplea en cálculo del RMR – SMR del Anexo I.

El Anexo III: Martillo de Schmith.- Nos muestra los valores de resistencia a la compresión en MN/m² (Mega Newton/ m²), de la roca del talud in situ. Informe Final

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Es decir, resistencia a la compresión de la parte mas externa de la roca, como se encuentra en el campo. Carga Puntual.- Muestra el análisis para la obtención del valor de la resistencia a la compresión en MPa (Mega Pascal) que se usa par el cálculo del RMR – SMR del Anexo I.

El Anexo IV: Muestra los ensayos de densidad o peso unitario de la masa rocosa en KN/m³, usado en el cálculo del RMR –SMR del Anexo I. Además se tienen valores de absorción y gravedad específica.

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4.0

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. En este estudio se han realizado los trabajos de mecánica de rocas para determinar la estabilidad de los taludes en macizos rocosos de la carretera Imperial – Izcuchaca. 2. Los trabajos de campo han consistido en las mediciones de las discontinuidades existentes en el macizo rocoso, los buzamientos y direcciones de buzamiento de los estratos y las orientaciones y alturas y ángulos de los taludes de corte. 3. Se han realizado ensayos in-situ y de laboratorio en las muestras de roca, consistentes en ensayos de carga puntual, peso específico, absorción y martillo Schmidt. 4. El análisis ha consistido en el análisis de discontinuidades de junturas en la roca en 12 secciones y la clasificación geomecánica del macizo rocoso aplicada a taludes según Bienawski en 33 secciones de taludes rocosos. 5. La Tabla No. 8 presenta los lugares donde se ejecutaron los estudios y la Tabla No. 9 presenta los resultados de la Clasificación RMR-SMR. 6. Los resultados indican la estabilidad de los taludes rocosos, el tipo de falla del talud y el soporte propuesto. 7. Los taludes de la carretera son bastante inclinados, y están constituidos fundamentalmente por roca caliza en bancos gruesos a medianos, arenisca y lutita, así como también material coluvio-aluvial. 8. En general los taludes de roca y en material coluvial, no obstante su inclinación y mediana a gran altura, se mantienen en la mayoría de los casos estables debido al buzamiento favorable de los estratos rocosos (buzamiento contra el talud-ver fotos) y la cementación del material coluvial -aluvial. En el caso de los taludes considerados en el estudio parcialmente estables tiene la posibilidad de que produzcan caídas de bloques inestables. 9. Existe un problema crítico de caída de rocas en el Km 20 + 060, que sería conveniente estudiar en detalle para diseñar sistemas de protección de caída de rocas con vallas dinámicas.

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10. En los tramos de taludes (parcialmente estables) donde haya posibilidad de caída de bloques inestables, se recomienda el desquinche del talud y/o el tendido del talud con el objetivo de mejorar su estabilidad. 11. En los tramos en que hay que ensanchar la carretera, se recomienda en roca corte de talud con (H:V) 1:5 (parcialmente estables) o 1:7 a 1:10 (estables). En el material coluvio – aluvial se recomienda corte de talud (H:V) 1:3. 12. Los taludes de corte deberán ejecutarse con diseños de perforación y dosificación de cargas (Voladura controlada o pre-corte) para evitar sobre fracturamiento y alteración del talud, completándose con trabajos de eliminación o desquinchado de bloques sueltos. En el material coluvial no se utilizará explosivos.

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REFERENCIAS Barton N., Lien R. y Lunde J. (1974), “Analysis of Rock Mass Quality and Support Practice in Tunneling and Guide for Estimating Support Requirements”, Norges Geotekniske Institute, Oslo. Bieniawski Z.T. (1976), “Rock Mass Classification in Rock Engineering”. Symposium on Exploration for Rock Engineering, Johannesburgh. Bieniawski Z.T. (1978) “Determining Rock Mass Deformability: Experience from Case Histories”,International Journal Rock Mechanics Mining Science, Vol. 15, p. 237-247. Bieniawski Z.T. (1989), “Engineering Rock Mass Classification”, Wiley Interscience Publication, USA. Deere D.U. (1968), “Geological Considerations”, Rock Mechanics in Engineering Practice, Editores R.G. Stagg y D.C. Zienkiewicz, John Wiley, New York. Grimstad E. y Barton N. (1993), “Updating of the Q-System for NMT”, International Symposium on Sprayed Concrete Modern Use of Wet Mix Sprayed Concrete for Underground Support, Fagures, Noruega. Hoek E. y Bray J.W. (1977), “Rock Slope Engineering”, The Institution of Mining and Metallurgy. London, 2da. Edición. Hoek E. y Brown E.T. (1985), “Excavaciones Subterráneas en Rocas”, Mc Graw-Hill, México. International Society for Rock Mechanics. Commission on Standarization of Laboratory and Field Test (1978), “Suggested Methods for the Cuantitative Description of Discontinuities in Rock Masses”. Mech. Min. Sci. Geomech., Vol. 15. Priest S.D. (1985), “Hemispherical Projetion Methods in Rock Mechanics”, George Allen & Uncoin, London. Romana M. (1985), “New Adjustment Ratings for Application of Bieniawski Classification to Slopes”, International Symposium Rock Mechanics to Mining and Civil Works, ISRM, Zacatecas, México. Serafim J.L. y Pereira J.P. (1983), “Considerations of the Geomechanics Classification of Bieniawski”, Proc. International Simposium Engineering Geology for Underground Construction, Lisboa, p.II-33-II-42

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