Capitulo III

16/02/2018
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
MECANICA DE ROCAS
GEOMECANICA
Introducción
Cuando se efectúa una excavación subterránea en un
macizo rocoso, este desestabiliza; y esto es
consecuencia de:
La influencia de las discontinuidades estructurales de
la roca, fallas, contactos, fisuras, fracturas, etc., etc.
Por lo tanto, usando la información dada por la
geomecánica, el ingeniero estará en condiciones de
tomar decisiones oportunas, adecuadas, técnico-
económicas-ecológicas.
1
16/02/2018
Objetivos
Para dimensionar y diseñar las diversas excavaciones
subterráneas (túneles, galerías chimeneas, estabilidad
de taludes, etc.)
Para seleccionar los diversos sistemas de sostenimiento
que deben usarse en las excavaciones subterráneas.
2
16/02/2018
Características importantes
◘ Características estructurales del macizo rocoso:
• Tipos de rocas
• Frecuencia de variación.
• Limites geométricos de las diferentes
estructuras
◘ Las discontinuidades del macizo rocoso
incluyen:
• Planos de pandeo
• Planos de esquistosidad y clivaje
• Fracturas y fisuras
• Contactos
• Fallas, etc. 5
Características importantes
◘ La presión sobre la roca debido a la gravedad y/o
esfuerzos tectónicos, incluyendo los procesos de
excavación.
3
16/02/2018
Desarrollo histórico de
la caracterización de
los Macizos Rocosos
Nombre de la clasificación Forma y tipo ♣ Principales aplicaciones Referencias
The Terzaghi rock load classification Descriptive and behaviouristic For design of steel support in Terzaghi, 1946
Introducción
system form functional type tunnels
Lauffers stand-up time classification Descriptive form general type For input in tunnelling design Lauffer, 1958
The new Austrian tunnelling method Descriptive and behaviouristic For excavation and design in Rabcewicz, Müller an
(NATM) form tunnelling concept incompetent (overstressed) ground Pacher, 1958-64
Rock classification for rock Descriptive form general type For input in rock mechanics Patching and Coates, 1968
mechanical purposes
The unified classification of soils and Descriptive form general type Based on particles and blocks for Deere et al., 1969
rocks conminution
The rock quality designation (RQD) Numerical form general type Based on core logging; used in other Deere et al., 1967
classification systems
The size strength classification Numerical form functional type Based on rock strength and block Franklin, 1975
diameter, used mainly in mining
The rock structure rating (RSR) Numerical form functional type For design of (steel) support in Wickham et al., 1972
classification tunnels
The rock mass rating (RMR) Numerical form functional type For use in tunnel, mine and Bieniawski, 1973
classification foundation design
The NGI Q classification system Numerical form functional type For design of support in Barton et al., 1974
underground excavations
The typological classification Descriptive form general type For use in conminution Matula and Holzer, 1978
The unified rock classification system Descriptive form general type For use in conminution Williamson, 1980
Basic geotechnical classification Descriptive form general type For general use 8
International Society for
(BGD) Rock Mechanics (ISRM),
1981
4
16/02/2018
Clasificación de las Propiedades del

macizo Rocoso
Para utilizar el mapeo geológico y geomecánico de las
discontinuidades del macizo rocoso, es necesario
clasificar y cuantificar sus efectos en el proceso de
excavación de dicho macizo.
A nivel mundial existen diversos sistemas de

clasificación y caracterización del macizo rocoso, pero
los mas usados son los siguientes:
Rock Quality Designation (RQD-Index).

Rock Mass Rating System (RMRs – value)
Rock Mass Quality (Q System)
9
Clasificación de Terzaghi
Terzaghi (1946), propuso el primer sistema
racional de clasificación para calcular las cargas
que deben soportar los marcos de acero en los
túneles.
Este fue un desarrollo importante, dado que los
marcos de acero han sido el sistema de
sostenimiento mas utilizado durante los últimos
60 años.
10
5
16/02/2018
Se debe enfatizar que éste método es apropiado
para el propósito para el cual fue diseñado, es
decir, para la estimación de las cargas para los
marcos de acero y por tanto, no es adecuado
para los métodos modernos de tuneleo usando
hormigón lanzado y pernos de anclaje.
11
Terzaghi hace hincapié sobre la importancia de
hacer exploración geológica antes de que se
determine el diseño, y sobre todo, insiste en
conseguir información sobre los defectos en la
formación de las rocas, ya que, el defecto de la
roca y su intensidad, puede resultar mas
importante que el tipo de roca que se pueda
encontrar.
12
6
16/02/2018
Al construir un túnel o una excavación, se
rompe el equilibrio del macizo rocoso y se
produce un relajamiento de la cohesión de las
rocas circundantes a la excavación, las cuales
tenderán a irrumpir en el túnel.
A éste movimiento, se oponen las fuerzas de
fricción de los límites laterales de la roca
circundante a la excavación, y transfieren la
parte mas importante del peso de la carga de la
roca (W1) al material de los lados del túnel.
13
El techo y los lados del túnel soportan el resto

de la carga que equivale a una altura Hp.
El ancho B1 de la zona de la zona donde existe

el movimiento, dependerá de las características
de la roca y de las dimensiones Ht y B del túnel.
14
7
16/02/2018
Por otro lado, Cesil (1970) estimó que la
clasificación de Terzaghi era demasiado general
para permitir una evaluación objetiva de la
calidad de la roca, y consideró que no
proporciona una información cuantitativa sobre
las propiedades del macizo.
15
16
8
16/02/2018
Rock Quality Designation RQD
El Geólogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba

su trabajo profesional en el ámbito de la mecánica de
rocas, postuló que la calidad estructural de un macizo
rocoso puede ser estimada a partir de la información
dada por la recuperación de testigos intactos, sobre
esta base propone el índice cuantitativo RQD (Rock
Quality Designation) el cual se define como el
porcentaje de testigos recuperables, con una longitud
mayor o igual a 10 cm.
17

Método de Cálculo
 Longitud total de testigos  10cm.

RQD  x100
Longitud total
Basándose en los rangos de los valores del RQD, el macizo

rocoso puede ser caracterizado según la valoración siguiente
RQD (%) Calidad de la roca
100 – 90 Muy buena
90 – 75 Buena
75 – 50 Mediana
50 – 25 Mala
25 - 0 Muy mala 18
9
16/02/2018

En caso que no se cuente con testigos adecuados, el
RQD puede ser calculado, definiendo un RQD
superficial según la siguiente expresión matemática:
RQD  115  3.3 x J v (%)

Donde:
Jv = Numero de discontinuidades por metro cúbico

Jv = Jx + Jy + Jz
Para Jv < 5 ==> RQD = 100
19
El RQD, también puede ser calculado usando la

siguiente expresión matemática:
RQD  100 e  0 .1  0 . 1   1 
Donde:
N º discontinuidades

m
20
10
16/02/2018
L = 38cm.
L = 17cm.
L= 0
No pieces >10cm.
L = 20cm.
L= 35cm.
Drilling break Procedimiento para las

L = 0cm. mediciones y el calculo del
No recovery RQD. 21
Determinar el RQD del diagrama

conceptual que se muestra a continuación.
22
11
16/02/2018
23
Se sabe que:
La dimensión de cada testigo debe ser ≥ 10 cm.
Del grafico se tiene:
18  15  16  13
RQD  x 100%
100
RQD  62%
24
12
16/02/2018
ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)
El sistema de caracterización del macizo rocoso

(RMRs) fue desarrollado por Bieniawski en 1973.
Esta caracterización ingenieril de los macizos

rocosos utiliza los siguientes 6 parámetros, todos
los cuales son medibles en el campo; y también
pueden ser obtenidos de la base de datos
(laboratorios).
25
Parámetros para el RMR
1. Resistencia compresiva uniaxial del

macizo rocoso (σc).
2. Designación de calidad de roca (RQD)
3. Espaciamiento de las discontinuidades.
4. Condición de las discontinuidades.
5. Condición de agua subterránea.
6. Orientación de las discontinuidades.
26
13
16/02/2018
El valor del RMR se calcula de la

siguiente manera:
RMR = 1 +2 + 3 + 4 + 5 +6
 Valor de un parámetro individual
27

Las siguientes clases de los macizos
rocosos son definidos por el valor RMR:
Tabla V
RMR Clase Nº Clasificación
100 – 81 I Roca Muy buena
80 - 61 II Roca Buena
60 - 41 III Roca Regular
40 - 21 IV Roca Pobre
< 20 V Roca Muy pobre 28
14
16/02/2018
29
Desarrollado en Sudáfrica por Bieniawski

en 1973, y posteriormente revisada por él
mismo en 1976 y 1979, también se le
conoce como CSIR (South African Council
for Scientific and Industrial Research)
(Consejo de África del Sur para la
Investigación Científica e Industrial).
30
15
16/02/2018
Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1979)

RMR (Rock Mass Rating)
RQD Resistencia a la compresión

Grado de meteorización uniaxial de la roca inalterada:
Resistencia a la Resistencia a la compresión simple
compresión uniaxial de la RQD: Índice de calidad de la roca
roca inalterada Distancia entre diaclasas: El término
Distancia entre diaclasas diaclasa se utiliza para toda clase de
Orientaciones del rumbo discontinuidades
y buzamiento Estado de las diaclasas: Abertura de
las diaclasas, continuidad, rugosidad de
Separación de las
su superficie, estado de las paredes
diaclasas
(duras o blandas) y presencia de relleno
Continuidad de las fisuras en las fisuras
(Persistencia) Aguas subterráneas: Se trata de
Aguas subterráneas medir la influencia del flujo de aguas
subterráneas sobre la estabilidad de
excavaciones 31

Valores bajos, efectuar
Ensayo de Carga Puntual
Resistencia
roca intacta
> 10 4 - 10 2- 4 1- 2 ensayos compresión

(Mpa) uniaxial
1
Compresión Simple
> 250 100 - 250 50 - 100 25 - 50 5 - 25 1- 5 <1
(Mpa)
Valoración 15 12 7 4 2 1 0
RQD 90% - 100% 75% - 90% 50% - 75% 25% - 50% < 25%
2
Valoración 20 17 13 6 3
Separación entre diaclasas (m) >2 0.6 - 2 0.2 - 0.6 0.06 - 0.2 < 0.06
3
Espejos de falla,
Muy rugosas, Algo rugosas, Algo rugosas,
relleno < 5 mm, Relleno blando > 5 mm,
discontinuas, separación < 1 separación < 1
Estado de las diaclasas separación 1 - 5 separación > 5 mm,
4 cerradas, bordes mm, bordes mm, bordes
mm, diaclasas diaclasas continuas
sanos y duros duros blandos
continuas
Caudal / 10m de túnel
Nulo < 10 10 - 25 25 - 125 > 125
Agua freática
(l/min)
Presión de agua 0 0 - 0.1 0.1 - 0.2 0.2 - 0.5 > 0.5
5
Ligeramente
Estado general Seco Húmedo Goteando Fluyendo
húmedo
32
16
16/02/2018

Orientación de las diaclasas

RUMBOPERPENDICULARAL EJE DEL TÚNEL
RUMBOPARALELOAL EJE DEL
TÚNEL
EXCAVACIÓNCONBUZAMIENTO EXCAVACIÓNCONTRABUZAMIENTO BUZAMIENTO0° - 20°
CUALQUIERDIRECCIÓN
buzamiento buzamiento buzamiento buzamiento buzamiento buzamiento
45° - 90° 20° - 45° 45° - 90° 20° - 45° 45° - 90° 20° - 45°
Muy favorable Favorable Media Desfavorable Muy desfavorable Media Desfavorable
Corrección por orientación de las diaclasas

Relación rumbo diaclasa/eje túnel Muy favorable Favorable Media Desfavorable Muy Desfavorable
Túneles 0 -2 -5 -10 -12
Valoración Cimentaciones 0 -2 -7 -15 -25
Taludes 0 -5 -25 -50 -60

33

Clasificación
CLASE I II III IV V
CALIDAD Muy buena Buena Regular Mala Muy mala
VALORACIÓN 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20
Características
CLASE I II III IV V
TIEMPO DE
10 años con 5m 6 meses con 4m 1 semana con 3m 10 horas con 10 minutos con
SOSTENIMIENTO
de vano de vano de vano 1.5m de vano 0.5m de vano
Y LONGITUD
COHESIÓN (KPa) > 400 300 - 400 200 - 300 100 - 200 < 100
ÁNGULO
> 45° 35° 45° 25° 35° 15° -. 25° 15°
FRICCIÓN 34
17
16/02/2018

35

36
18
16/02/2018
37

38
19
16/02/2018

39

40
20
16/02/2018

41

42
21
16/02/2018
NGI Sistema de
Clasificación de
Barton
(Q de Barton o Índice de
Calidad Tunelera-1975)
43
NGI Sistema de Clasificación de Barton

(Q de Barton o Indice de Calidad Tunelera)
Un sistema estructural de macizos rocosos

orientado también a servir en la construcción
de túneles, fue desarrollado por Barton, Lien y
Lunden (1975), investigadores del NGI
(Norwegian Geotechnical Institute), basándose
en extensivos estudios en macizos rocosos y
un gran número de casos de estabilidad de
excavaciones subterráneas.
44
22
16/02/2018

Llamado también Índice de

Calidad Tunelera.
Este sistema es uno de los
mas usados en nuestro
medio, debido a la
interrelación con el sistema
de clasificación de
Bieniawski (RMR).
Primero se calcula el RMR y
luego se determina el valor
de Q. 45

Contribuyó con gran importancia en la

clasificación de los macizos rocosos :
* El sistema fue propuesto con base en el
análisis de 212 casos históricos de túneles
en escandinavia
* Es un sistema de clasificación cuantitativo
* Es un sistema ingenieril que facilita el
diseño de sostenimiento para túneles
46
23
16/02/2018

El sistema propuesto, considera seis parámetros

para definir la calidad de un macizo rocoso (Indice
de Calidad Q), que son los siguientes:
RQD : Parámetro definido por Deere (1964)

Jn : Número de contactos o discontinuidades.
Jr : Numero de rugosidades.
Ja : Numero de alteración
Jw : Condición de agua subterránea
SRF : Factor de reducción del esfuerzo.
47

Procedimiento de Clasificación
48
24
16/02/2018

Procedimiento de Clasificación
49

50
25
16/02/2018

Para calcular el índice Q se usa la

siguiente expresión matemática:
 RQD   J r   J w 
Q    x  x 
 J n   J a   SRF 
51

El valor de Q varía entre 0,001 y 1000, dentro de este

rango se definen nueve calidades de roca, tal como se
muestra en la tabla siguiente:
CALIDAD DE ROCA Indice Q

Excepcionalmente mala 0.001 - 0.01
Extremadamente mala 0.01 - 0.1
Muy mala 0.1 – 1.0
Mala 1.0 – 4.0
Regular 4.0 – 10.0
Buena 10.0 – 40.0
Muy buena 40.0 - 100.0
Extremadamente buena 100.0 - 400.0
Excepcionalmente buena 400.0 - 1000.0 52
26
16/02/2018
Clasificación y Valoración de los Parámetros

Individuales del Indice Q
(Barton y Grimstad 1994)
53

54
27
16/02/2018

55

56
28
16/02/2018
Relación entre Jr y JRC
57

58
29
16/02/2018
59

60
30
16/02/2018

61

62
31
16/02/2018

Dimensión Equivalente
63

Valores de ESR (Barton – version original)
64
32
16/02/2018

Valores de ESR (Barton & Grimstad, 1994)
65

66
33
16/02/2018

67

68
34
16/02/2018
Recomendaciones de Sostenimiento
69
Recomendaciones
de Sostenimiento
70
35
16/02/2018

Correlación entre el RQD, el RMR

y el Q de Barton
Resistencia
Rigidez
Tamaño del bloque
Integridad estructural
Estabilidad
Vida útil.
Q
0.001 1000
RMR
0 100
RQD
0 100
71
Una correlación fue propuesta entre el RMRs y el Q de

Barton (BIENIAWSKI, 1976).
Para las aplicaciones de ingeniería civil (construcción

de túneles), se propuso la siguiente correlación
matemática:
RMR  9 ln Q  44
72
36
16/02/2018
Para minería, tunelería ABAD ET AL. (1983)

investigó 187 casos de minería de carbón en
España y propuso la siguiente correlación
matemática:
RMR  10.5 ln Q  42
73
37

Capitulo III

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

Capitulo III

Cargado por

Información del documento

Descripción original:

Derechos de autor

Formatos disponibles

Compartir este documento

Compartir o incrustar documentos

Opciones para compartir

¿Le pareció útil este documento?

¿Este contenido es inapropiado?

Copyright:

Formatos disponibles

Capitulo III

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

16/02/2018

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

Nombre de la clasificación Forma y tipo ♣ Principales aplicaciones Referencias

Clasificación de las Propiedades del

A nivel mundial existen diversos sistemas de

Rock Quality Designation (RQD-Index).

El techo y los lados del túnel soportan el resto

El ancho B1 de la zona de la zona donde existe

Rock Quality Designation RQD

El Geólogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba

Rock Quality Designation RQD

 Longitud total de testigos  10cm.

Basándose en los rangos de los valores del RQD, el macizo

Rock Quality Designation RQD

RQD  115  3.3 x J v (%)

Jv = Numero de discontinuidades por metro cúbico

Rock Quality Designation RQD

El RQD, también puede ser calculado usando la

Rock Quality Designation RQD

Drilling break Procedimiento para las

Rock Quality Designation RQD

Determinar el RQD del diagrama

Rock Quality Designation RQD

Rock Quality Designation RQD

Del grafico se tiene:

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)

El sistema de caracterización del macizo rocoso

Esta caracterización ingenieril de los macizos

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)

Parámetros para el RMR

1. Resistencia compresiva uniaxial del

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)

El valor del RMR se calcula de la

 Valor de un parámetro individual

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs)

Desarrollado en Sudáfrica por Bieniawski

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1979)

RQD Resistencia a la compresión

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1979)

> 10 4 - 10 2- 4 1- 2 ensayos compresión

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1979)

Orientación de las diaclasas

Muy favorable Favorable Media Desfavorable Muy desfavorable Media Desfavorable

Corrección por orientación de las diaclasas

Túneles 0 -2 -5 -10 -12

Valoración Cimentaciones 0 -2 -7 -15 -25

Taludes 0 -5 -25 -50 -60

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1979)

CALIDAD Muy buena Buena Regular Mala Muy mala

VALORACIÓN 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

Clasificación Geomecánica de Bieniawski (1989)

NGI Sistema de Clasificación de Barton