MACIZO ROCOSO, clasificación (segunda parte)

28.05.2018

NOTA: comenzaremos en este articulo en definir tres clasificaciones, debido a lo extenso del trabajo, el cual se dividirá en mas partes, esperamos que tengan paciencia, acá dejamos las primeras, como siempre compartan.

Las labores mineras subterráneas y superficiales, cuyos componentes son estructuras complejas; para ejecutar dichas labores mineras, es necesario poseer el máximo conocimiento del macizo rocoso. Para tener el conocimiento del macizo rocoso hoy en día existen muchas Clasificaciones Geomecánicas, como: Protodyakonov, Bieniawski, Laubscher and Taylor, Barton, Romana, RQD, Lauffer, TERZAGHI entre otros, que nos determinarán la calidad del macizo rocoso, cuya finalidad es dividir al macizo rocoso en dominios estructurales,cada uno de ellos tendrán características similares, como: Litología, espaciado de juntas, entre otros. Los limites de un dominio estructural pueden coincidir con rasgos geológicos, tales como fallas o diques.

Una excavación subterránea es una estructura de gran complejidad y las únicas herramientas de las que dispone el proyectista para ayudarse en su empresa son unos modelos extraordinariamente simplificados sobre algunos de los fenómenos que se conjugan para lograr la estabilidad de la excavación. Por lo general estos modelos sólo se podrán usar para analizar determinado fenómeno a la vez, por ejemplo la influencia de discontinuidades estructurales o de grandes esfuerzos de la roca sobre la excavación. En teoría no se puede determinar bien, mas que rara vez, la interacción de estos fenómenos y el proyectista se ve forzado a tomar una serie de decisiones de diseño en las que su criterio de ingeniero y su experiencia práctica juegan un papel importante.

Si se tiene, la buena fortuna de contar con un ingeniero que haya diseñado y dirigido la construcción de excavaciones en formaciones parecidas a las del proyecto, se podrán tomar las decisiones con cierta tranquilidad. Pero cuando no se cuenta con esta experiencia. ¿qué criterio habrá que utilizar para saber si las decisiones son lógicas? ¿Cómo se podrá saber si el claro es demasiado grande o si las anclas que se especifican sobran o escasean?

La respuesta consiste en emplear algún sistema de clasificación en el que se puede confrontar la problemática propia con la encontrada por otros. Tal sistema de clasificación sirve para que el proyectista tenga acceso a la experiencia sobre condiciones de roca y necesidades de refuerzo, experiencia recabada en otras obras para compararla con las condiciones supuestas en su propia obra.

Existen varias clasificaciones madres, creadas hace mucho años y que dieron paso a las que podemos denominar clasificaciones modernas (Sistema RMR (Bieniawski) y Q (Barton)) intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar atributos del macizo rocoso (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este número permite, a través de la experiencia recogida en su utilización en casos reales, la definición de un sostenimiento del túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc.).

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, que 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.

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS DE TERZAGHI

En 1946, Terzaghi propuso un sistema sencillo de clasificación de roca para calcular las cargas que deben soportar los marcos de acero en los túneles. Describió varios tipos de roca y con base en su experiencia de los túneles ferrocarrileros con refuerzo de acero, en los Alpes, fijó escalas de roca según las diferentes condiciones del terreno. Este artículo tan importante, en el cual Terzaghi intentó cuantificar su experiencia de modo que pudiera servir a otros, ha tenido desde el día de su publicación un uso extenso en la construcción de túneles en América del Norte. Por la importancia histórica del tema y también por la dificultad para encontrar reproducciones del texto original, describiremos esta clasificación con mas detalle de lo que se harta normalmente.

En la introducción de la parte del articulo que trata de la estimación de las rocas cargadas, Terzaghi hace hincapié sobre la importancia de la exploración geológica que deberá hacerse antes de que se termine el diseño y sobre todo insiste en conseguir información sobre los defectos en la formación de roca. Una cita de su artículo:

"Desde el punto de vista de la ingeniería, el conocimiento del tipo de defecto en la roca y en su intensidad puede ser más importante que el tipo de roca que se pueda encontrar. Por lo tanto, durante la exploración hay que dar especial atención a los defectos en la roca. El informe geológico deberá contener una descripción detallada de los defectos observados en términos geológicos.También deberá mencionar la roca defectuosa en términos de tuneleo, como por ejemplo: roca en bloques, junteada, roca que se comprime o se expande."

En su articulo procede con la definición de estos términos de tuneleo como sigue:

Roca inalterada no tiene fisuras ni ramaleos. Por lo tanto, cuando se rompe, lo hace a través de la roca sana. Debido al daño que se hace a la roca con el uso de explosivos, pueden caer del techo desgajes de roca varias horas o varios días después de la voladura. Esta condición se llama desprendido. La roca dura, inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo que implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del techo.
Roca estratificada está constituida por capas unitarias con poca o ninguna resistencia a la separación a lo largo del plano limítrofe entre estratos. La capa puede haberse debilitado o no debido a fracturas transversales. Los desprendidos son comunes en este tipo de rocas.
Roca medianamente fisurada tiene fisuras y ramaleos pero los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente embonados que las paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas de este tipo. se puede encontrar a la vez el desprendido y el chasquido.
Roca agrietada en bloques es una roca químicamente inalterada o casi inalterada, cuyos fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no embonan. Esta clase de roca puede necesitar además laterales en las paredes.
Roca triturada pero químicamente sana tiene la apariencia de ser un producto de trituradora. Si los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha habido recementación, la roca triturada que está abajo del nivel de las aguas freáticas tiene las propiedades de una arena saturada.
Roca comprimida avanza lentamente en el túnel sin aumento perceptible de volumen. Un requisito de compresión es un porcentaje elevado de partículas microscópicas o sub-microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansibilidad.
Roca expansiva avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La capacidad de esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales arcillosos como la montmorillonita, con una alta capacidad de expandirse.

Se acepta que fue Terzaghi (1946) quien propuso la primera clasificación del terreno orientada a la construcción de túneles. Sus datos provenían de túneles sostenidos fundamentalmente por cerchas metálicas. A partir de los años 50 fue generalizándose la utilización del bulonado y el hormigón proyectado en la construcción de túneles para usos civiles. La clasificación de Lauffer de 1958 refleja perfectamente el uso combinado de cerchas, bulonado y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método Austriaco (NATM) en centro europa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra y es poco práctica en las fases de proyecto y anteproyecto.

Terzaghi clasifica el terreno en diez categorías y proporciona la "carga de roca" o tensión vertical que soportarían las cerchas de sostenimiento de un túnel construido por procedimientos tradicionales. Refleja la práctica habitual de los años 1930-1970 en Norteamérica. Los conceptos de Terzaghi en relación con el comportamiento del terreno están sintetizados en la Fig. La clasificación original fue modificada por Deere (1970) y se recoge en la otra Fig.

Crítica: Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La clasificación de la roca es poco objetivable.

CLASIFICACIONES DE STINI Y LAUFFER

Stini, en su manual de geología de túneles, propuso una clasificación de los macizos rocosos y comentó muchas de las condiciones adversas que pueden encontrarse en la construcción de túneles. Insistió sobre la importancia de los defectos estructurales de la roca y desaconsejó que se excavara paralelo al rumbo de discontinuidades muy inclinada.

Mientras Terzaghi y Stini habían estudiado la inestabilidad en relación con el tiempo en los túneles, fue Lauffer quien llamó la atención sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo en un túnel. El tiempo de sostén es el lapso durante el cual un excavación será capaz de mantenerse abierta sin ademe, mientras que el claro activo es el claro sin ademe mas grande en el túnel entre el frente y los refuerzos.

Lauffer pensó que el tiempo de sostén para un claro activo cualquiera está relacionado con las características de la roca conforme. En siguiente figura la letras se refieren a la clase de roca. A corresponde a una roca muy buena, o sea la roca tenaz e inalterada de Terzaghi y G corresponde a una roca muy blanda, más o menos la roca comprimida o expansiva de Terzaghi. El trabajo de Stini y Lauffer que se publicó en alemán ha despertado poco interés en el medio de habla inglesa. Sin embargo ha tenido una influencia determinante en los sistemas de clasificación más recientes como los que propusieron Brekke y Howard" Bieniawski," mismos que se estudiarán mása delante.

Lauffer Basó su clasificación en los trabajos de la "Escuela Austriaca" que condujeron a la introducción del NATM. Introdujo el concepto de tiempo de estabilidad de la excavación para una luz o dimensión libre sin sostener. Es la relación entre ambas variables (luz libre y tiempo de estabilidad) la que permite establecer siete categorías de roca.

La roca no se clasifica a partir de datos geológicos o geotécnicos sino a partir de su respuesta frente a la construcción de una excavación subterránea. Requiere, pues, experiencia previa o datos de la propia excavación. A partir de esta clasificación, Rabcewicz y Müller sintetizaron los métodos de excavación y sostenimiento de acuerdo con su experiencia en la aplicación del NATM.

Crítica: La clasificación no responde a datos objetivos de los macizos rocosos. Difícilmente utilizable en la fase de proyecto. Parece excesivamente conservadora (Barton, 1988).

ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD) - EL ÍNDICE DE CALIDAD DE ROCA DE DEERE

En 1964 Deere propuso un índice cuantitativo de la calidad de la roca basado en la recuperación de núcleos con perforación de diamante. Se llama el sistema Rock Quality Designation (RQD) - Indice de Calidad de Roca - Se ha usado en todas parles y se ha comprobado que es muy útil en la clasificación del macizo rocoso para la selección del refuerzo para los túneles.

El RQD se define como el porcentaje de núcleos que se recuperan en piezas enteras de 100 mm o más, del largo total del barreno. Por lo tanto;

Rock Quality Designation (RQD) Deere (1967)

Es incorporado en los sistemas de clasificación RMR y Q.
Es una modificación del porcentaje de recuperación del sondaje que considera pedazos de testigos iguales o mayores que 100 mm.
Roca altamente meteorizada RQD=0

Cuando no existe taladros diamantinos pero si se visualizan las trazas en superficie, el RQD puede ser estimado utilizando el número de discontinuidades por unidad de volumen (Jv).

RQD = 115 - 3.3 Jv

El RQD es un parámetro que depende mucho de la dirección del taladro. Utilizar el índice volumétrico puede ser muy útil para reducir esa dependencia.
El RQD es una medida de la frecuencia de fracturas (λ fracturas/metro) por lo tanto esta relacion se puede escribir como:

RQD = -3.68 λ + 110.4

Esta normalmente aceptado que el RQD se establece en núcleos de cuando menos de 50 mm de diámetro, recuperados con una perforadora de diamante de doble barril. Un valor RQD se daría para cada tramo perforado de digamos 2 metros. Esta operación es sencilla y rápida, y si se ejecuta conjuntamente con el registro geológico normal del sondeo, casi no aumenta el costo de la exploración. Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico RQD y la calidad de la roca desde el punto de vista en la ingeniería.

A partir de la definición del índice de calidad de roca RQD propuesto por Deere en 1964, se propone una simple clasificación de la calidad de la roca en 5 categorías. La definición de RQD, la clasificación de la roca, la relación entre el "Factor de Carga" de Terzaghi y RQD (propuesta por Cording et al, 1972) y la propuesta de Merrit (1972) para decidir el tipo de sostenimiento en función del RQD.

Ya que la RQD permite dar un valor numérico a la calidad de la roca. no es de sorprenderse que se haya tratado de relacionar este número con la clasificación cualitativa de Terzaghi, Cordmg, Hendron y Deere" modificaron el factor de carga de roca de Terzaghi y relacionaron este valor modificado con el RQD. Este diagrama sugiere que puede haber una correlación razonable entre el RQD y el factor de carga de roca de Terzaghi para excavaciones con ademe de acero, pero que esta correlación desaparece en el caso de una excavación reforzada con pernos. Esto confirma nuestro comentario anterior de que el factor de carga de roca de Terzaghi debe limitarse a aquella condición para la que se ideo: el refuerzo de túneles con marcos de acero.

Merritt hizo un intento de llevar la aplicabílidad del RQD hasta donde pudiera servir para determinar el tipo de ademe necesario en un túnel y su propósito se ilustra en la figura. Aunque estaba convencido de que el RQD era importante para determinar los sistemas de soporte, él mismo encontró una seria limitación a su propósito:

"El criterio de refuerzos del RQD tiene limitaciones en el caso de que haya fractura con rellenos delgados de arcilla o de material meteorizado. Este caso puede presentarse cerca de la superficie donde la meteorización o la sin filtraciones hayan producido arcilla, lo que reduce la resistencia a la fricción a lo largo de los planos de fractura, Esto generará una roca inestable aun si las fisuras están muy separadas una de otra y el valor de la RQD es alto".

Aparte de esta limitación, el RQD no toma en cuenta otros factores como por ejemplo la orientación de las juntas, lo que también tiene su importancia para el comportamiento de la roca alrededor de una obra subterránea. En consecuencia, sin querer restar méritos al RQD como método rápido y económico para dar indicios, también es cierto que no provee información adecuada sobre los muchos fenómenos de comportamiento de la roca que se pueden presentar en una excavación.

INFLUENCIA DE LAS GRIETAS CON ARCILLA Y DEL RELLENO DE FALLAS

Ya se han examinado las deficiencias del Índice RQD en lugares donde hay arcillas y materiales meteorizados. Brekke y Howard" señalan que es tan importante y a veces más aún clasificar las discontinuidades según su naturaleza que indicar sus parámetros dentro de una escala. Y a continuación estudian siete grupos de rellenos de discontinuidades que tienen una influencia importante sobre el comportamiento de la roca que las contenga. Aunque su Lista no constituya una clasificación de rocas, la incluimos en este capitulo a causa de las implicaciones nefastas que puede acarrear su desconocimiento en el diseño de una excavación.

Las grietas, las fisuras y a veces incluso las fallas menores pueden sellarse gracias a la precipitación de soluciones de cuarzo o de calcita. En este caso,la discontinuidad puede quedar "soldada". Estas discontinuidades, sin embargo, pueden volverse a romper, formando nuevas superficies. También hay que insistir en el hecho que puede haber cuarzo o calcita en una discontinuidad sin soldarla.
Discontinuidades limpias, o sea sin rellenos o recubrimientos, Muchas fisura y fracturas serán de este tipo. Sin embargo, cerca de la superficie habrá que cuidarse de no confundir discontinuidades limpias con discontinuidades"vacias" donde el relleno ha sido lavado por el agua de la lluvia.
Los rellenos de calcita, en especial cuando son porosos o en hojuelas,pueden disolverse durante el tiempo de vida de la obra subterránea. Con esta disolución desaparece, desde luego, su ayuda a la resistencia de la excavación. Este es un problema de estabilidad a largo plazo y a veces de movimiento de fluidos que es fácil olvidar durante la fase del diseño o de la construcción, Rellenos de yeso pueden comportarse de la misma forma.
Recubrimientos o rellenos de clorita, talco o grafito hacen que las juntas sean muy resbalosas (o sea, de poca resistencia) sobre todo cuando están húmedas.
La arcilla inerte en juntas y fallas representa desde luego un material muy débil que puede quedar comprimido o lavado.
Las arcillas expansivas pueden causar serios problemas por la expansión libre y pérdida consecuente de resistencia, o por la formidable presión expansiva cuando están confinadas.
Un material que se ha alterado en otro material de menor cohesión (tipo arena puede fluir e irrumpir en un túnel inmediatamente después de la excavación.

Al contrario de lo que comenta Merritt acerca de que Las fracturas rellenas de arcillas se presentan más bien cerca de la superficie. Brekkc y Selmer-Olsen informan que han encontrado fracturas con rellenos poco consolidados hasta grandes profundidad Por lo tanto, el proyectista nunca podrá ignorar el peligro que puede resultar de la existencia de estas circunstancias. Brekkc y Howard han resumido las consecuencias de encontrar discontinuidades rellenas durante la excavación de un túnel.

Deere (1970) hicieron una serie de recomendaciones para el sostenimiento de túneles en función del RQD. La novedad de esta propuesta es que introducen como método alternativo al tradicional (explosivos) la utilización de máquinas tuneladoras o topos (TBM).

Crítica: El índice RQD forma parte de otros sistemas más elaborados de clasificación (RMR, Q) pero en sí mismo es insuficiente para describir el macizo rocoso. No tiene en cuenta, por ejemplo, la influencia del relleno de juntas, ni su orientación, ni la presencia de agua o su presión. Por otra parte, en "rocas blandas" masivas el RQD puede aproximarse a 100, aunque la calidad de la roca sea mediocre de cara a la construcción de túneles.