El presente artículo tiene la finalidad de que cada profesional sepa con claridad las características y cualidades del macizo rocoso y por ende también de la roca intacta, dos conceptos que muchos profesionales podemos confundir y clasificar de mala manera o incluso usar criterios de macizo rocoso en roca intacta, es por eso que el articulo siguiente tratara de definir ambos conceptos y en un segundo artículo se describirán las clasificaciones de macizo rocoso y los criterios de rotura de toca intacta.
Reseña
Burton, Rabcewicz, Lauffer y Bieniawsky, señalaron que la implantación de los túneles como una importante solución, ha sido un tema de mucha relevancia en la era de los ferrocarriles, en la minería, así como en el transporte tanto público como privado, recobrando su relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce por debajo de ríos, e incluso creando túneles falsos en las ciudades para aliviar el tráfico vehicular.
Martínez (2007), señalo que los túneles carreteros son estructuras construidas por el hombre, tanto en zonas urbanas, como montañosas, con el propósito de que el tránsito de vehículos pueda superar con mayor facilidad zonas o tramos de vialidad de naturaleza geográfica conflictivas, teniendo un ahorro considerable en los tiempos de viajes, a su vez dejando de emitir una cantidad considerable de emisiones tóxicas. Son obras de uso público que normalmente disponen de un importante equipamiento complementario destinado a garantizar la seguridad de los usuarios.
Romana (1993) según la clasificación de macizos rocosos para la excavación mecánica de túneles, expresa: Los métodos de excavación de túneles dependen, en primer lugar, y fundamentalmente, del tipo de terreno que se va a excavar. De esta forma se debe hablar por separado de la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos y túneles en rocas.
La determinación de la clasificación del macizo rocoso nos proporciona una serie de especificaciones necesarias para la selección de cada método de construcción de túneles civiles y mineros, algunas características son:
* Proporcionan una evaluación geomecánica global del macizo rocoso a partir de observaciones en el campo y ensayos relativamente sencillos.
* Se genera una estimación del macizo rocoso y de los parámetros de resistencias de este mismo, como la cohesión y ángulo de fricción.
* Definir las necesidades de fortificación, punto importante en la selección del método de construcción de túneles en el país y el mundo. De este parámetro podremos decidir qué tan económico o que tanta inversión se debe realizar en la ejecución de obras mineras y tuneleras.
Las clasificaciones geomecánicas están adaptadas a los macizos rocosos (como contraposición a los suelos). La transición suelo-roca es siempre difusa. El término "roca blanda", bastante generalizado, define esta transición. La resistencia a compresión simple, de la roca intacta proporciona un criterio, utilizado por muchos autores, para clasificar la roca. Los criterios son dispares, pero en general se acepta que resistencias inferiores a 1 MPa son ya típicas de los suelos.
Definición macizo rocoso
Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carácter heterogéneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisótropo, consecuencia de la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, que condicionan su comportamiento geomecánico e hidráulico.
Las rocas pueden ser duras o blandas y las fallas de los macizos se pueden presentar por zonas de debilidad o de discontinuidad estructural. Las rocas blandas fallan a través del cuerpo de la masa rocosa y también a través de sus defectos estructurales. Se considera que un suelo o roca es blando o duro, según su resistencia a la compresión esté en los siguientes rangos:
1. Suelo blando menos de 4 Kg/cm2 (0,4MPa). 2. Suelo duro entre 4 - 10 Kg/cm2 (0,4 a 1MPa). 3. Roca blanda de 10 a 375 Kg/cm2 (1 a 37MPa). 4. Roca intermedia de 375 a 700 Kg/cm2 (37 a 69MPa). 5. Roca dura más de 700 Kg/cm2 (69MPa). 6. El concreto corriente es de sólo 210 Kg/cm2 (20MPa).
Las rocas blandas son aquellas que pueden fallar a través de material intacto a los niveles de esfuerzos existentes que se pueden dar en el área de influencia de una excavación, sin que tenga sentido un valor numérico para definir la resistencia de dichas rocas, máximo aún si se tiene en cuenta que los macizos de roca más dura pueden fallar y fallan en las excavaciones más profundas. El comportamiento de una galería puede ser dúctil, adecuado o frágil.
Caracterización del macizo rocoso
La caracterización apropiada de los macizos rocosos, además de ser la base para el diseño de las obras, contribuye a la optimización del método constructivo, da vía al mejoramiento del macizo (anclajes, inyecciones, drenaje) y permite la programación de observaciones durante el funcionamiento de las obras.
Esta es una tarea de observación, mediciones y ensayos para obtener parámetros cuantitativos útiles al diseño ingenieril. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas las etapas del desarrollo del proyecto, desde el diseño hasta su construcción y operación. Según la fase de diseño se requiere establecer un nivel mínimo de caracterización:
1. El primero es con base en observaciones geológicas. 2. El segundo nivel exige prospecciones geofísicas. 3. Y el nivel final perforaciones exploratorias, medidas y ensayos geotécnicos.
Los parámetros geotécnicos fundamentales son la resistencia al corte, la deformabilidad, la permeabilidad y el estado original de esfuerzos, tanto para macizos en rocas duras como en rocas blandas. En las segundas la durabilidad de las rocas y su potencial de expansión y fluencia deben ser propiedades de primer orden.
Discontinuidades en macizos rocosos
Cualquier plano de origen mecánico o sedimentario en un macizo rocoso, con una resistencia a la tracción nula o muy baja. (Genera comportamiento no continuo de la matriz rocosa, y normalmente anisótropo).
Las discontinuidades están presentes en la roca y afectan la resistencia, permeabilidad y durabilidad de la masa. Es importante evaluar la geometría, naturaleza, estado y condición de las discontinuidades, porque ellas definen la fábrica estructural del macizo rocoso. Además de su génesis, la influencia en el comportamiento del macizo exige evaluar la génesis de los rellenos, la cantidad de agua, las cicatrices y revestimientos en las paredes por materiales solubles, la abertura, rugosidad y persistencia de las discontinuidades, y el número de familias.
Los parámetros de descripción de las discontinuidades son diez.
1. Orientación. Es la posición espacial y se da con el rumbo y buzamiento de la superficie de discontinuidad. Es importante ver la actitud de los bloques y fracturas para efectos de estabilidad.
2. Espaciamiento. Es la distancia perpendicular entre dos discontinuidades de una misma familia. Debe advertirse que el espaciamiento aparente, el que muestra en superficie la roca, por regla general es mayor que el real. Se utiliza el promedio.
3. Persistencia. Es la longitud de la traza de una discontinuidad en un afloramiento (se trabaja estadísticamente y con criterios probabilísticos como el espaciamiento). Cuando hay persistencia se garantiza el flujo de agua a través de la masa.
4. Rugosidad. Se alude a la rugosidad de la superficie y a la ondulación de la discontinuidad, pues ambos afectan la resistencia del macizo rocoso. Una alta rugosidad aumenta la resistencia a la fricción.
5. Resistencia de las paredes de la discontinuidad. Generalmente es la resistencia a la compresión inconfinada, pues es una buena medida de la alteración de las paredes de la discontinuidad. La resistencia aumenta con la presencia de dientes de roca en la discontinuidad.
6. Abertura. Es la distancia perpendicular entre las paredes de las distancias de las diaclasas cuando estas no tienen relleno (sólo agua o aire). Hay diaclasas cerradas.
7. Relleno. Alude al material entre las paredes de la discontinuidad, casi siempre más blando que el macizo rocoso. Un parámetro en el material de relleno es su grado de cementación.
8. Flujo. Agua presente en la discontinuidad que se encuentra libre o en movimiento. Se describe por el caudal y debe evaluarse si el agua brota o no con presión.
9. Número de familias presentes. Es indicativo del grado de fracturamiento del macizo y depende de la dirección y tipo de esfuerzos. El menor número de familias en un macizo es tres; también las familias presentan características distintivas, no solamente en dirección y espaciamiento sino también en condiciones de relleno, caudal e incluso edad y tipo de esfuerzos que la origina.
10. Tamaño de bloques. El que se cuantifica con algunas metodologías específicas. Deben identificarse además los bloques críticos: aquellos que tienen tamaños finitos y posibilidad de desprenderse.
Estabilidad del macizo
Estabilidad general
En un macizo rocoso se evalúa el material rocoso, el sistema de diaclasas, las condiciones del agua y las condiciones de esfuerzos. En el material rocoso se evalúa la compresión inconfinada y la resistencia a la tracción utilizando núcleo de prueba. En el sistema de diaclasas se evalúan los parámetros señalados de rugosidad, separación (distancia), abertura (tamaño de bloques), rellenos, orientación (número de familias), persistencia y continuidad. En las condiciones del agua se evalúan la cantidad y los efectos del agua. También las características físicas y químicas de agua, y las modificaciones del caudal en el tiempo pueden importar.
En las condiciones de esfuerzos se evalúan, en cantidad, rata y dirección, los cambios en la masa y los cambios en la carga. Aquí es posible considerar la necesidad de estudios de sismicidad local.
Estabilidad cinemática
Para evaluar la estabilidad de un bloque rígido, previendo una falla de talud en un macizo rocoso, hay que averiguar rasgos geométricos para ver el tamaño, forma y disposición de bloques o cuñas de roca, recurriendo a un análisis de estabilidad o inestabilidad cinemática.
El análisis cinemático supone averiguar geométricamente las dimensiones probables del bloque y su disposición, de acuerdo con la orientación, espaciamiento y persistencia de las discontinuidades del macizo rocoso, obtenidas de perforaciones y taludes vecinos
1. La resistencia de un macizo rocoso será función de la resistencia de la roca intacta, la resistencia de las discontinuidades y de cómo éstas se distribuyan en el macizo.
2. Cuando la geometría de las discontinuidades controla la estabilidad del macizo, lo más correcto es considerar la resistencia de las estructuras.
3. Cuando no hay un control definido de la geometría de discontinuidades, se aplican otros criterios de falla. El más común para obras de ingeniería civil es el de Hoek- Brown. Para obras subterráneas de mayor profundidad (mineras) hay otros criterios.
4. Definir y distinguir los criterios para roca intacta como Hoek y los criterios del macizo rocoso como por ejemplo Q de Burton.
CLASIFICACIÓN DE LA ROCA INTACTA
El término “roca intacta” se refiere al cuerpo continuo macroscópicamente homogéneo y libre de fracturas y juntas que se encuentra entre los planos de debilidad o discontinuidades (juntas, fallas, cavidades, estratificación esquistosidades, etc.). En el caso de “macizo rocoso”, las discontinuidades pueden estar presentes en forma de superficies de debilidad llamadas defectos del macizo rocoso (juntas, fallas, cavidades, estratificación y esquistosidades).
Por lo citado anteriormente se puede ver que la resistencia y deformación características de un macizo rocoso están influenciadas por las propiedades físicas de los bloques de roca intacta y por el número y naturaleza de las discontinuidades que separan los bloques individuales.
Para realizar la descripción del comportamiento del macizo rocoso es necesario conocer ciertas propiedades de la roca intacta y aplicar factores de reducción apropiados que nos ayuden a determinar las propiedades físicas y mecánicas de la masa rocosa.
La cantidad de discontinuidades presente en un sistema rocoso es variable y depende del volumen de masa que se analiza. La posibilidad de que se presenten discontinuidades es mayor en una masa de mayor volumen y afecta directamente a ciertas propiedades.
1. Resistencia: La resistencia de la roca intacta es mayor que la del macizo rocoso, esto se debe a la existencia de planos de debilidad (juntas, fallas, cavidades, estratificación y esquistosidades, etc.)
2. Permeabilidad: La permeabilidad es mayor en el macizo rocoso que en la roca intacta. Esto se debe a que el agua no solamente fluye por los poros o fisuras del bloque de roca, sino lo hace a través de las discontinuidades. Estas discontinuidades pueden tener material de relleno que habitualmente es más permeable que los bloques de roca intacta.
3. Deformabilidad: La deformabilidad es mayor en el macizo rocoso que en la roca intacta. Las superficies de separación o discontinuidades presentan material de relleno que generalmente es más deformable que la roca lo que aumentar la deformabilidad del conjunto.
CLASIFICACIONES DEL MACIZO ROCOSO
Durante las etapas de diseño preliminar y de factibilidad de un proyecto, cuando muy poca información detallada sobre el macizo rocoso y las características de esfuerzos e hidrología son disponibles, el uso de un esquema de clasificación puede ser considerado beneficioso. Desde el punto de vista más simple, esto puede implicar el uso del esquema de clasificación como una lista de chequeo (check-list) para asegurar que toda información relevante haya sido considerada. Al otro extremo del espectro, uno o más esquemas de clasificación pueden ser usados para construir una imagen de la composición y características del macizo rocoso para dar estimados iniciales de los requerimientos de soporte y de las propiedades de esfuerzo y deformación del macizo rocoso.
Es importante entender que el uso de un esquema de clasificación del macizo rocoso no reemplaza algunos de los más elaborados procedimientos de diseño. Sin embargo, el uso de estos procedimientos requiere el acceso a una información relativamente detallada de los esfuerzos in situ, las propiedades del macizo rocoso y de una planificada secuencia de excavación, estando ninguna de estas informaciones disponible en una etapa temprana del proyecto. A medida que esta información es disponible, el uso de la clasificación del macizo rocoso debiera ser actualizado y usado en conjunto con los análisis específicos del lugar.
Los esquemas de clasificación han sido desarrollados por casi 100 años, Ritter (1879) intentó formalizar una aproximación empírica al diseño de túneles, en particular para determinar los requerimientos de soporte. Mientras los esquemas de clasificación son apropiados para su aplicación original, especialmente si son usados dentro de los límites de los casos históricos para los que fueron desarrollados, se debe tener una considerable cautela al aplicar la clasificación del macizo rocoso a otros problemas de ingeniería de roca.
La mayor parte de los esquemas multiparámetros (Wickman et al (1972) Bieniawsky (1973, 1989) y Burton et al (1974)) fueron desarrollados de casos históricos de ingeniería civil en los que todos los componentes de las características geológicas ingenieriles del macizo rocoso fueron incluidos. En minería subterránea de roca dura, sin embargo, especialmente en niveles profundos el intemperismo y la presencia de agua en el macizo rocoso pueden no ser significativos y por lo tanto ignorados. Los diferentes sistemas de clasificación ponen diferente énfasis en los distintos parámetros y se recomienda que por lo menos dos métodos sean usados en todo lugar durante las etapas tempranas del proyecto.
Algunos criterios de Clasificacion del macizo rocoso:
TERZAGHI RQD (Rock Quality Designation) RMR (Bieniawsky, Rock Mass Rating) MRMR SMR (Romana) Q (Burton) Terzaghi GSI (Hoek and Brown) RSR (Wickman) Protodyakonov Lauffer Louis Rabcewicz
