Rock Excavation Handbook: 2.5 Rock Mass Characterization.

2.5. CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO.
2.5.1. Importancia.
Junto con las propiedades del espécimen aislado de roca o mineral, todas las irregularidades de la masa rocosa (o macizo en adelante) están caracterizadas. Las más importantes son las siguientes:
1. Estructura del macizo, que incluye:
– Tipo de roca.
– Variación de la misma o frecuencia.
– Miembros estructurales y sus límites.
2. Discontinuidades del macizo:
– Planos de estratificación.
– Planos de esquistosidad y escisiones.
– Fracturas y fisuras.
– Fallas.

3. Presión (tensión) sobre el macizo debido a la gravedad, a motivos tectónicos inducidos y debido al sistema de excavación del mismo.
2.5.2. Interbedding (Estratificación).
Las masas rocosas, o macizos, pocas veces se presentan en forma de algo masivo o de un sólo componente rocoso, sino que presentan una estructura en forma de capas paralelas o no, distribuidas de forma más o menos regular.

En las rocas sedimentarias es típico encontrar una estructura regular paralela de capas, con direcciones y buzamientos variables.

Dichas capas también pueden ser irregulares, por efecto de la interrupción del proceso sedimentario, inclusiones de otros tipos de rocas (como las intrusivas, o magmáticas) y por cambios locales  del tipo de roca o mineral que pasa al lecho sedimentario (cambio del curso de un río, glaciación, magmatismo, etc).
Cualquier proceso técnico (excavación de un túnel, por ejemplo)  está influenciado por el contacto de dichas capas. Es por ello que en el estudio preliminar se deberá tener en cuenta la naturaleza de dicho contacto entre capas dentro del macizo rocoso. Es fundamental para, por ejemplo, la estabilidad de una excavación.

Campañas de reconocimiento (estaciones geomecánicas, calicatas, georadar, tomografía sísmica etc), mapeo geológico y geofísico, sondeos (con su testificación), y un adecuado plan de perforación son necesarios para obtener una instantánea lo más precisa posible de las estructuras geológicas que nos vamos a encontrar en nuestro proyecto. No siempre encontraremos en obra toda la información necesaria, y muchas veces también se encuentran grandes inconsistencias en la misma. Por veces también pasará que no tendremos absolutamente nada más que hipótesis a partir de unas pocas estaciones geomecánicas en superficie.

2.5.3. Rock Mass Discontinuities (Discontinuidades del macizo rocoso).

GENERAL.

Otra característica diferenciatoria de una masa de roca son los planos que dividen la misma. Dependiendo de su frecuencia y espaciamiento, que pueden ser de ninguna importancia o bien dominar el comportamiento del macizo frente a la excavación del mismo.
Dependiendo de su origen se pueden encontrar los siguientes tipos:
– Planos de estratificación.
– Planos de esquistosidad y escisiones.
– Fracturas y fisuras.
PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN.
Dichos planos son la consecuencia de variaciones en el proceso sedimentario y son característicos de todos los tipos de rocas de este segmento, y en particular las producidas por procesos mecánicos de erosión.
Los siguientes términos se usan para caracterizar el espaciado entre los planos de estratificación:
Espaciado entre planos de estratificación (cm) Clasificación
> 200 Masivo
50 a 200 Denso
20 a 50 Estratificado
10 a 20 Estratificado fino
2 a 10 Capas
< 2 Capas finas

Los planos de estratificación pueden ser caracterizados como:
Abierto: contacto parcial o sin contacto entre los mismos.
Cerrado: no se aprecia apenas linea de contacto, contacto íntimo.
Manchado: la superficie de contacto está sucia.
Relleno: la superficie de contacto está llena con otro tipo de mineral, roca.
Cementado: la superficie de contacto está cementada con mineral adhesivo (cementos mineralógicos).

PLANOS DE ESQUISTOSIDAD.

Dichos planos (o juntas) son típicos de muchas rocas metamórficas. Durante el metamorfismo, los granos de mineral son recolocados resultando en una alineación en forma de planos de los granos minerales. Esto es producido por la presión (ver metamorfismo regional). Estos planos de debilidad son especialmente frágiles si los minerales presentes son mica u otros minerales laminares. La relajación de la presión tectónica, u otro tipo de movimiento puede abrir esos planos fácilmente. Como diferencia sobre los planos de estratificación tienen que suelen ser ondulados. Si los planos de esquistosidad son abiertos  a lo largo del proceso metamórfico, pueden ser rellenos (el espacio) con cuarzo hidrotermal y en ocaciones por carbonatos.

FRACTURAS Y FISURAS.

Los siguientes términos pueden ser usados para clasificar o caracterizar el espaciado entre fracturas y fisuras:

Fracturas por metro Espaciado entre planos (m) Clasificación
menos de 1 >1 Masivo
1 a 2 0.6 – 1 Ligeramente fracturado
2 a 4 0.3 – 0.6 Moderamente fracturado
4 a 6 0.2 – 0.3 Fisurado
6 a 10 0.1 – 0.2 Altamente fisurado
10 a 20 0.05 – 01 Extremadamente fisurado
mas de 20 < 0.05 Milonitico
Los mismos términos que se usan para describir los planos de estratificación pueden ser utilizados para describir la apariencia de las superficies de las fracturas y fisuras.
FAMILIA DE JUNTAS.
Estratificación, esquistosidad, planos de fractura o fisura forman la familia de juntas (joint set) de un macizo rocoso. Una familia de juntas se caracteriza por la frecuencia de su aparición y su orientación. En la práctica, la mayor parte de los macizos rocosos tienen un mínimo de dos familias de juntas. En las rocas sedimentarias, la segunda familia de juntas normalmente es perpendicular a los planos de estratificación.
2.5.4. Clasificación de las propiedades del macizo rocoso.
Para utilizar el mapa de las discontinuidades del macizo rocoso, es necesario clasificar y cuantificar su efecto sobre el proceso de excavación de mismo. Las tres clasificaciones geotécnicas más usadas desde el punto de vista del soporte del terreno son:
  • Rock Quality Designation (RQD-Index).
  • Rock Mass Rating System (RMR-Value).
  • Rock Mass Quality (Q System).

Estos sistemas han sido desarrollados para evaluar la estabilidad de un macizo rocoso que es intersectado por varios planos (estratificación, fracturas, juntas). Sin embargo proveen una gran ayuda para estimar la influencia de las características del macizo rocoso durante su excavación.

ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD).

Deere propuso en 1964 un índice cuantitativo basado en una modificación del procedimiento de recuperación de núcleos de sondeo íntegros que además tienen 100 mm o más de longitud. La figura siguiente ilustra tanto el principio como la fórmula y un ejemplo práctico.

fig251

La figura es bastante descriptiva del proceso a seguir: Se recupera el núcleo del sondeo, en este caso con 200 cm de longitud, y se miden los pedazos (o ripios) mayores de 10 cm. El RQD es la relación entre las longitudes de esos ripios a la longitud total del núcleo y multiplicado por 100. Efectivamente, se trata de un porcentaje.
Esta aproximación básica de calcular el efecto de las familias de juntas se usa en muchos sistemas de clasificación, pero también se toma como referencia por si sola para evaluar la influencia de los planos de separación y la frecuencia de su aparición como forma aproximada de estimar el comportamiento del macizo. Según lo anterior clasificamos el macizo rocoso de la siguiente manera:
RQD % Rock Mass Classification
90 a 100 Excelente
75 a 90 Buena
50 a 75 Media
25 a 50 Mala
< 25 Muy mala
ROCK MASS RATING SYSTEM (RMR).
El sistema RMR fue desarrollado por Bieniawski en 1973. Esta clasificación del macizo rocoso utiliza seis parámetros, que pueden ser medidos en campo:
  1. Resistencia a compresión simple del material rocoso, en Mpa.
  2. Indice RQD.
  3. Espaciado de discontinuidades.
  4. Condiciones de esas discontinuidades.
  5. Presencia de agua.
  6. Orientación de las discontinuidades.

El valor del RMR se calcula por la simple suma de los valores obtenidos en los puntos 1 a 6 cuando los llevamos a la tabla de clasificación. RMR = 1 + 2 +3 + 4 + 5 + 6

Además, despues de obtener el valor de RMR, la clasificación de la masa de roca queda de la siguiente manera:

RMR Número de clase Clasificación
100 a 81 I Muy bueno.
80 a 61 II Bueno.
60 a 41 III Medio.
40 a 21 IV Malo.
< 20 V Muy malo.
La tabla que nos relaciona los valores discretos de los puntos 1 a 6 con el valor RMR en concreto es la siguiente:
rmr
Eh! Eh! Espera un momento! ¿Pero que es todo eso?
Tranquilos. Aunque el libro no lo incluye, vamos a poner aquí un ejemplo. Bueno, quiero decir que me voy a sacar un frente de la manga y lo voy a clasificar según el señor Beniawski.
Veamos:
Hemos reconocido el frente de un túnel recién saneado después de una voladura. Tenemos los siguiente datos:
1. La resistencia a compresión simple de la roca según el proyecto en este tramo es 190 Mpa.
2. El RQD según proyecto para este tramo es 75%. (También podríamos estimarlo sobre el terreno).
3. En el frente vemos un par de familias de juntas: Por un lado la estratificación que es masiva, y por otro una familia de juntas con un espaciado de 0.6 m (aprox).
4. Las condiciones de esa familia de juntas es: ligeramente rugosa, con separación menor de 1 mm y no se aprecia meteorización.
5. No hay presencia o afluencia de agua ni en las juntas ni en el frente.
6. La orientación de las juntas es favorable al avance del túnel (para la estabilidad se entiende).
Vamos con esos datos a la tabla RMR y tenemos:
1. 190 Mpa se corresponde con un valor de 12.
2. 75% de RQD se corresponde con un valor de 13.
3. El espaciado de 0.6 m entre juntas para la familia que hemos considerado principal se corresponde con un valor de 15.
4. El estado de esas juntas para la familia principal se corresponde con un valor de 25.
5. No hay presencia de agua, estupendo. Eso no da un valor de 15.
6. La dirección y buzamiento de la familia principal de juntas es favorable para la estabilidad del túnel. Un valor de -2.
RMR = 12 + 13 +15 + 25 +15 – 2 = 78 Roca buena.
rmr
Bueno. En alguna otra entrada tendré que explicar cuando un juego de juntas es favorable o no. El libro no lo incluye. Aunque siempre podéis salir de dudas consultando el manual de túneles de Gimeno.
ROCK MASS QUALITY (Q SYSTEM).
El sistema Q de clasificación de macizos fue desarrollado en Noruega por Barton, Lien y Lunde en 1974todos ellos del Instituto Geotécnico de Noruega.
El método o sistema Q es una clasificación basada en el estudio de 1000 túneles, o sea, basado en estadísticas y datos empíricos reales.
Dicho sistema tiene en cuenta los siguientes parámetros para llevar a cabo la clasificación:
  • Rock quality designation (RQD).
  • Número de familias o juegos de juntas (Jn) que indica la “libertad” del macizo rocoso.
  • Rugosidad del juego de juntas más desfavorable (Jr).
  • Grado de alteración o relleno del juego de juntas más desfavorable (Ja).
  • Grado de filtración de agua, también llamado factor de reducción por presencia de agua (Jw).
  • SRF Stress Reduction Factor, o sea, factor reductor por tensiones; que calcula la reducción de carga debida a la excavación, tensión aparente, hinchamiento y asentamiento.

Los factores arriba indicados se agrupan en tres cocientes para componer la ecuación que nos da el índice Q como sigue:

q

Ahora, según el valor calculado, la clasificación de Barton queda según la siguiente tabla:
Rock mass quality Q Comportamiento del macizo rocoso frente a la excavación
1000 a 400 Excepcionalmente bueno.
400 a 100 Extremadamente bueno.
100 a 40 Muy bueno.
40 a 10 Bueno.
10 a 4 Medio.
4 a 1 Pobre.
1 a 0.1 Muy pobre.
0.1 a 0.01 Extremadamente pobre.
0.01 a 0.001 Excepcionalmente pobre.

2.5.5. Rock pressure (Presión en la roca).

Un factor importante en obra subterránea es la presión en la roca, el estado de tensiones in situ de la masa rocosa. En la práctica, el resultado de las tensiones o stress lo llamamos presión. La presión primaria en la roca es la suma de las tensiones después de haber tenido una influencia sobre ella, por ejemplo, haciendo un túnel. Es consecuencia de la sobrecarga, residual o de las tensiones tectónicas. La presión secundaria es cuando el campo de tensiones primario es alterado por el proceso de excavación. El campo secundario de tensiones puede mostrar considerables cambios a través del proceso de excavación, indicando un estado de no equilibro.

El objetivo del proceso de excavación es lograr un estado de equilibrio evitando al mismo tiempo cualquier condición intermedia que pueda poner en peligro la excavación en si misma, así como al personal y equipo de trabajo. En la práctica, el stress en sí mismo no es el factor crítico, sino las reacciones del macizo rocoso debido a él.

Las siguientes características de presión en la roca tienen lugar al abrir un túnel:

  • El campo de esfuerzos/tensiones se reubica resultando en una deformación elástica del frente y techo del túnel sin fractura.
  • La relajación de esa tensión ocurre de forma súbita, variando en intensidad desde el astillamiento hasta el estallido de la roca.
  • La fractura y consecuente deformación de la roca en el frente y techo del túnel tiene lugar cuando la masa de roca tiene un comportamiento original elástico o cuasi-elástico.
  • La deformación y caída del terreno tiene lugar cuando la masa de toca tiene un comportamiento original plástico-viscoso.

Todas las reacciones de la lista de arriba son dependientes del tiempo. El tipo de reacción que tiene lugar además depende del estado original de tensiones en el macizo y del comportamiento del mismo. Esto además está muy influenciado por el modo y secuencia de las operaciones de excavación, y por la forma y tamaño de la apertura.

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