Mapeo Geomecanico2.pdf

2° MINI CURSO ONLINE
"MAPEO GEOMECANICO PARA TUNELES Y/O
EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
CLASIFICACION GEOMECANICA Q BARTON”
Presentado por:
Ing. Guillermo Rodríguez C.
Especialista en Geomecánica y Geotecnia

Q = RQD x Jr x Jw
Jn Ja SRF
SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON
RQD = Representa la Estructura de la masa rocosa, la cual es medida del tamaño
Jn del bloque o de la partícula, con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20).
TAMAÑO DE BLOQUES
Jr = Representa la rugosidad y características friccionantes de las paredes de
Ja la junta o los materiales de relleno (4/0.75 y 0.5/20).
RESISTENCIA AL CORTE ENTRE LOS BLOQUES
Jw = Consiste en dos parámetros de esfuerzos. SRF es una medida de:
SRF 1) La carga de aflojamiento en el caso de una excavación a través de
zonas de corte y rocas portadoras de arcilla.
2) Esfuerzos rocosos en rocas competentes.
3) Cargas de alta deformación en rocas plásticas incompetentes. Esto
puede ser considerado como un parámetro de esfuerzo total.
4) El parámetro Jw es una medida de presión de agua, la cual tiene un
efecto adverso sobre la resistencia al corte de las juntas, debido a la
reducción del esfuerzo normal efectivo.
ESFUERZO EFECTIVO (1/0.5 y 0.05/20)

Q = RQD x Jr x Jw
Jn Ja SRF
EL RANGO DE VARIACION DE LOS PARAMETROS ES EL SIGUIENTE:
RQD = Entre 0 y 100
Jn = Entre 0.5 Y 20
Que nos da dos valores extremos (100/0.5 y 10/20).
Jr = Entre 0.5 y 4
Ja = Entre 0.75 y 20
Que nos dos valores extremos (4/0.75 y 0.5/20).
Jw = Entre 0.05 y 1
SRF = Entre 0.5 y 20
Que nos da dos valores extremos (1/0.5 y 0.05/20)

De = Ancho,diámetro altura excavación
Relación de sostenimiento (ESR)
DIMENSION EQUIVALENTE De
EL VALOR DE ESR ESTA RELACIONADO AL USO QUE SE LE DARA A
LA EXCAVACION Y AL GRADO DE SEGURIDAD QUE ESTA DEMANDE
DEL SISTEMA DE SOSTENIMIENTO INSTALADO PARA MANTENER LA
ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION
RELACIONANDO EL INDICE Q A LA ESTABILIDAD Y A LOS
REQUERIMIENTOS DE SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS, BARTON Et.al (1974) DEFINIÓ UN PARÁMETRO
ADICINAL AL QUE DENOMINARON DIMENSION EQUIVALENTE De
DE LA EXCAVACIÓN.
ESTA DIMENSION ES OBTENIDA DIVIDIENDO EL ANCHO,
DIAMETRO O ALTRURA DE LA PARED DE LA EXCAVACION POR
UNA CANTIDAD LLAMADA RELACION DE SOSTENIMIENTO DE LA
EXCAVACION, ESR. :

VALORES DE ESR, BARTON et.al (1974)
CATEGORIA DE
EXCAVACIONES
DESCRIPCION ESR
A
Excavaciones mineras temporales
3- 5
B
Aberturas mineras permanentes, túneles de agua
para hidroeléctricas (excluyendo conductos
forzados de alta presion), tuneles, galerías y
sovavones para grandes excavaciones.
1.6
C
Cámaras de almacenamiento, plantas de
tratamiento de agua, túneles carreteros y
ferrocarrileros menores, camaras de equilibrio,
tuneles de acceso.
1.3
D
Casas de máquinas, túneles carreteros y
ferocarriles mayores, refugios de defensa civil,
portales y cruces de túnel.
1.0
E
Estaciones nucleoeléctricas subterráneas,
estaciones de ferrocarril, instalaciones para
deportes y reuniones, fábricas.
0.80

SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON RQD
J n
2.- NUMERO DE DISCONTINUIDADES
descripción
RQD = 115 - 3.3 Jv Donde: Jv: N° de Diaclasas por m3
iii) Si el RQD es menor de 10, emplear un valor nominal 10
EXCELENTE 90 - 100
i ) Estimar el RQD con 5% de aproximacion
ii ) Cuando no se disponga de testigos
Nota:
REGULAR 50 - 75
BUENA 75 - 90
MUY POBRE 0 - 25
POBRE 25 - 50
1.- INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA
Descripción RQD %

Jn
J n
Masiva o con muy poca discontinuidad 0.5 - 1.0
Un sistema de discontinuidad 2
Un sistema de principal y uno secundario 3
Dos sistemas de discontinuidad 4
Dos sistemas principales y uno secundario 6
Tres sistemas de discontinuidades 9
Tres sistemas principales y uno secundario 12
Cuatro sistemas de discontinuidades o mas 15
20
ii) Para portales usar (2.0*Jn)
( roca muy fracturada )
Roca triturada ( Terrosa )
Nota:
i) Para intersecciones de tuneles, usar (3.0*Jn)
2.- NUMERO DE DISCONTINUIDADES
descripción
RQD = 115 - 3.3 Jv Donde: Jv: N° de Diaclasas por m3
iii) Si el RQD es menor de 10, emplear un valor nominal 10
ii ) Cuando no se disponga de testigos

(3 a 4 familias de discontinuidades)
Jn = 15

(Arenisca Masiva en Zion National Park, USA. Jn = 2 →3)

Jv = 2.5 + 5.0 + 4.0 = 11.5/ m3
RQD ≈ 77 % (Palmström equation - ORIGINAL)

Roca competente o no?…RQD puede ser CERO?
(RQD minimo = 10%)

RQD POTENCIALMENTE ANISOTROPICO
Jn is obviamente 9 (tres set)

Jr Jr
A 4
B 3
C 2
D 1.5
E 1.5
F 1
G 0.5
H 1
J 1
En grupos A hasta la G, el contacto entre las superficies de la
discontinuidad se logra con desplazamientos de cizalla
inferiores a los 10 cm.
escala y características de escala intermedia, en ese orden.
En los grupos H y J no se produce contacto entre las superficies
al ocurrir desplazamientos de cizalla
* Agregar 1.0 cuando el espaciamiento medio de las diaclasas
fuera superior a 3 cm.
* Jr= 0.5 puede ser usado para juntas planares lustrosas que
tienen alineaciones, siempre que las alineaciones están
orientadas para la resistencia mínima
Las descripciones se refieren a las características de pequeña
NOTAS.
entre las superficies que limitan la fractura
Zona de material arenoso en cantidad
suficiente como para impedir el contacto
entre las superficies que limitan la fractura
Zona conteniendo arcillas en cantidad
suficiente como para impedir el contacto
Lustrosas Ondulantes
Rugosas o irregulares, planares
Lisas, Planares
Lustrosas, Planares
Diaclasas discontinuas
Rugosas e irregulares, onduladas
Lisas, Onduladas
FACTOR DE RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES
DESCRIPCION

Jr = 1.0 ……….. (Estacion de Metro: Hong Kong)

Cual es la relacion existente entre
Jr y JRC?
(Algunos detalles de JRC, JCS metodos son mostrados
acontinuacion

PRINCIPALES METODOS PARA ESTIMAR LA
RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES

100 mm approx. 100 mm up to 10 m
6
10
8
9
7
5
4
3
2
1
10 - 12
ESCALE
18 - 20
14 - 16
16 - 18
12 - 14
8 - 10
6 - 8
4 - 6
2 - 4
0 - 2
0 5 10
cm

MIDIENDO LA RUGOSIDAD CON EL PEINE DE
BARTON

La grafica de la
izquierda nos
permite escalar,
las diversas
medidades del
peine de barton.

a/L
Mean
JRCn = 11
Joint Roughness Coefficient (JRC)
0.10
1.00
10.00
100.00
1000.00
0.1 1 10
Length of Profile (m)
Amplitude
of
Asperities
(mm)
JRC=0.5
JRC=1
JRC=2
JRC=3
JRC=4
JRC=5
JRC=6
JRC=8
JRC=10
JRC=12
JRC=16
JRC=20
F6a-ZA-B1
F6a-ZA-B2
F6a-ZA-B3
F6a-ZA-B4
F6a-ZA-B7
F6a-ZA-B8
F6a-ZA-B11
F6a-ZA-B13
JRC=22
JRC=24
JRC=26
JRC=28
JRC=30

SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON Ja
FACTOR DE ALTERACION DE LAS DISCONTINUIDADES
Ja
a) Contacto entre superficies de la discontinuidad (sin relleno de mineral, solo recubrimientos)
A Ajustadas, rellenas con material compacto 0.75
B Superficies inalteradas, ligeras manchas 1
C Superficies ligeramente alteradas, cubiertas 2
con material granular no arcilloso, producto
de la desintegracion de la roca.
D Capas superficiales de material limoso o 3
arcilloso arenoso, con una pequena fraccion
E Capas superficiales de arcilla ( caolinita, mica 4
cantidades pequeñas de arcilla expansiva en
capas de 1- 2 mm de espesor
F Relleno granular no cohesivo, roca desintegrada 4
libre de particulas arcillosas
G Material con alto grado de consolidacion, 6
relleno continuo ( hasta de 5mm. de espesor)
de material arcilloso compacto.
H, I 8
J Relleno continuo de arcilla expansivas (Montmorillonita) 8 - 12
el valor de Ja dependera del % de expansion, el tamaño
de las particulas arcillosas, la accesibilidad del agua, etc.
K,L. M Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y 6 - 8 ó
arcilla ( ver G,H,J para la descripcion de los tipos de arcilla) 8 - 12
N Zona de arcilla limosa o arenosa 5
O,P,Q Zonas potentes y continuas de arcilla ( ver G,H,J para la 10 - 13 ó
descripcion de los tipos de arcilla) 13 - 20.
de 10cm de (relleno de mineral fino)
b) Contacto entre superficies de la discontinuidad se produce despues
(relleno de mineral grueso)
c) No contacto entre superficies de la discontinuidad despues de cizalla
Relleno continuo ( hasta de 5mm. De espesor) de material
arcillosos compacto con bajo grado de consolidacion
cloritas, etc.)
cohesiva.
de oxidacion
DESCRIPCION

a) Contacto Roca
- Roca
b) Roca-Roca
despues del
cizalla
c) No contacto
Roca-Roca

Ja = 2 for ‘degradado’’, tal vez Ja = 4 or 6 para relleno de ‘arena o
arcilla’

Ja categoria (a) (b) ( b) or (c) (c)

Jr/Ja = 1/5 (Categoria c – No contacto Roca-
Roca)

Jw
Jw
A Secas o flujos bajos ( 5 l/min) 1
Flujos a presiones medias que ocasionen erosion del material 0.66
de relleno
Flujos o presiones altas en roca competente con diaclasas 0.5
Flujos a presiones altas con erosion considerable del material 0.33
de relleno
Flujos o presiones excepcionalmente altas luego de la voladura 0.2 - 0.1
disminuyendo con el tiempo
Flujos o presiones excepcionalmente altas sin que ocurra una 0.1 - 0.05
disminucion en el tiempo
de drenaje.
ii) Especiales problemas causados por la formacion de hielo no son considerados.
i) Factores C a F son estimaciones basicas. Aumentar Jw si se han instalado medidas
iii) Para la caracterización general de las masas de roca distantes de las influencias de
excavación, el uso de Jw = 1,0, 0,66, 05, 0,33, etc , aumenta con la profundidad como
por ejemplo 0-5m, 5-25m, 25-250m a> 250m se recomienda, si se asume que RQD /
Jn es lo suficientemente bajo (ejemplo 0,5-25) para una buena conectividad hidráulica.
Esto le ayudará a ajustar Q para algunos de las tensiones efectivas y los efectos de
ablandamiento de agua, en combinación con los valores apropiados de
caracterización SRF. Correlaciones con módulo de deformación estática y la
profundidad dependen de la velocidad sísmica. En la práctica usar estos valores
cuando se desarrollan.
B
D
E
F
sin relleno
C
FACTOR DE REDUCCION POR CONTENIDO DE AGUA EN FRACTURAS
DESCRIPCION
NOTAS.

Jw = 1 o 0.66 Jw = 0.5 Jw = 0.2

(Kashmir)
280 dias de demora debido a un
evento con Jw = 0.05

S
R
F
SRF
A Muchas zonas debiles de arcilla con evidencias de desintegracion quimica 10
B 5
C 2.5
D 7.5
E 5
F 2.5
G 5
H Tensiones bajas, poca profundidad, diaclasas abiertas > 200 < 0.01 2.5
J Tensiones moderadas, condiciones tensionales favorables
200 - 10 0.01 - 0.3 1
200 - 400
N
Estallidos violentos de roca (deformacion explosiva) y
deformaciones dinamicas inmediatas en rocas masivas
5 - 50
< 2 > 1
M
Lajamiento y estallido de la roca despues de pocos
minutos en rocas masivas
3 - 2 0.65 - 1
L
Lajamiento moderado de la roca despues de 1 hora en
rocas masivas
5 - 3
K
Tensiones elevadas, estructura muy compacta.
Normalmente favorable para la estabilidad, puede ser
desfavorable para la estabilidad de los hastiales
10 - 5 0.3 - 0.4 0.5 - 2
50 - 200
0.5 - 0.65
Zona de falla aislada en roca competente profundidad mayor a 50 m.
B) Rocas competentes, problemas tensionales en las rocas
Diaclasas abiertas y sueltas roca intensamente fracturada,en terrones, cualquier prof.
Nota: i) Reducir estos valores de SRF por 25-50% si las zonas de fallas influyen pero no intersectan la excavacion.
sc/s1 sq/sc SRF
Muchas zonas de falla en roca competente, roca circundante suelta.
(cualquier profundidad)
Zona de falla aislada en roca competente profundidad menor a 50 m.
Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada quimicamente
(profundidad menor 50m)
Zona debil aislada con arcilla o roca desintegrada, profundidad mayor 50m.
roca circundante muy suelta cualquier profundidad
A) Las zonas debiles intersectan a la excavacion, pudiendo producirse desprendimientos de rocas
a medida que la excavacion del tunel va avanzando.
FACTOR DE REDUCCION POR TENSIONES
DESCRIPCION

S
R
F O 1 -5 5 a10
P >5 10 a20
R Presionde expansionsuave 5 -10
S 10 -15
presionde expansionintensa
Nota:iv)Casos de deformaciones de rocapuedenocurrirparaprofundidades H>350*Q^(1/3).La
resistenciaalacompresionde lamasarocosapuede serestimadacomo q=7*g*Q^(1/3),donde
g=densidad de laroca(gm/cc)
Presionde deformacionintensa
D)Rocas expansivas:Actividad expansivaquimicadependiendo de lapresenciade agua
C)Rocas deformables:flujo plastico de rocaincompetente aaltas
presiones litostaticas
sq/sc SRF
Presionde deformacionsuave
Nota: ii)Paracamposinsitufuertementeanisotropico(si sehamedido):cuando5<=s1/s3<=10,reducirscen0.75sc,
cuandos1/s3>10,reducirsca0.5sc,dondesc=esfuerzocompresivosinconfirmar,s1ys3sonlosesfuerzos
principalesmayoresymenoresysq=esfuerzotangencialmaximo(estimadodelateoriadelaelasticidad)
iii)Existenalgunosregistrosdisponiblesqueseñalanquelaalturadeltechodelaexcavacionasuperficieesmejorque
elanchodelalabor.Paraestoscasosesugiereincrementarde2.5a5paraestoscasos(verH).
deformaciones dinamicas inmediatas enrocas masivas

4 Categorias
a) Zonas de debilidad de
Fallas
b) Problemas de esfuerzos
en rocas competentes
c) Problemas de esfuerzos
en rocas incompetentes
d) Presiones por
hinchamientos en rocas
incompetentes
SRF
B 5
C 2.5
D 7.5
E 5
F 2.5
G 5
200 - 10 0.01 - 0.3 1
O 1 - 5 5 a 10
P > 5 10 a 20
R Presion de expansion suave 5 - 10
S 10 - 15
presion de expansion intensa
Nota: iv) Casos de deformaciones de roca pueden ocurrir para profundidades H>350*Q^(1/3). La
resistencia a la compresion de la masa rocosa puede ser estimada como q=7*g*Q^(1/3) , donde
g=densidad de la roca(gm/cc)
Presion de deformacion intensa
D) Rocas expansivas: Actividad expansiva quimica dependiendo de la presencia de agua
C) Rocas deformables: flujo plastico de roca incompetente a altas
sq/sc SRF
Presion de deformacion suave
200 - 400
Nota: ii) Para campos insitu fuertemente anisotropico(si se ha medido): cuando 5<=s1/s3<=10, reducir sc en 0.75sc,
cuando s1/s3 > 10, reducir sc a 0.5sc, donde sc=esfuerzo compresivo sin confirmar, s1 y s3 son los esfuerzos
principales mayores y menores y sq=esfuerzo tangencial maximo(estimado de la teoria de la elasticidad)
iii) Existen algunos registros disponibles que señalan que la altura del techo de la excavacion a superficie es mejor que
el ancho de la labor. Para estos caso se sugiere incrementar de 2.5 a 5 para estos casos(ver H).
N
5 - 50
< 2 > 1
M
3 - 2 0.65 - 1
L
rocas masivas
5 - 3
K
10 - 5 0.3 - 0.4 0.5 - 2
50 - 200
0.5 - 0.65
sc/s1 sq/sc SRF
DESCRIPCION

SRF
B 5
C 2.5
D 7.5
E 5
F 2.5
G 5
Diaclasas abiertas ysueltas roca intensamente fracturada,enterrones, cualquier prof.
Nota: i) Reducir estos valores de SRF por 25-50% si las zonas de fallas influyenpero no intersectanla excavacion.
sc/s1 sq/sc SRF
DESCRIPCION

(Brazil)
Multiples Fallas: SRF = 10

Falla Superficial
( SRF = 2.5 o 5)

SRF = 2.5
7
.
10
7
.
2
5
.
2
1
x
1
75
.
0
0
.
1
x
3
60
20
Q 





G 5
200 - 10 0.01 - 0.3 1
200 - 400
Nota: ii) Para campos insitu fuertemente anisotropico(si se ha medido): cuando 5<=s1/s3<=10, reducir sc en 0.75sc,
cuando s1/s3 > 10, reducir sc a 0.5sc, donde sc=esfuerzo compresivo sin confirmar, s1 y s3 son los esfuerzos
principales mayores y menores y sq=esfuerzo tangencial maximo(estimado de la teoria de la elasticidad)
N
5 - 50
< 2 > 1
M
3 - 2 0.65 - 1
L
rocas masivas
5 - 3
K
10 - 5 0.3 - 0.4 0.5 - 2
50 - 200
0.5 - 0.65
sc/s1 sq/sc SRF

Signos de altos esfuerzos en rocas incompetentes

Signos reveladores de altos esfuerzos, (esfuerzos anisotropicos)
Causando discos en el core, por lo tanto alto SRF ejemplo 10 a 20
(Esfuerzos principales fueron aproximadades 60, 40 y 30 MPa :
Hanford, USA)
(Abajo: Fabrica de galleta china?)

Fallas inducidas por el esfuerzo de los túneles, pozos, en un tunel y la teoría.

O 1 -5 5 a10
P > 5 10 a20
R Presionde expansionsuave 5 -10
S 10 -15
presionde expansionintensa
Nota:iv)Casos de deformaciones de rocapuedenocurrirparaprofundidades H>350*Q^(1/3).La
resistenciaalacompresionde lamasarocosapuede serestimadacomo q=7*g*Q^(1/3),donde
g=densidad de laroca(gm/cc)
Presionde deformacionintensa
D)Rocas expansivas:Actividad expansivaquimicadependiendo de lapresenciade agua
C)Rocas deformables:flujo plastico de rocaincompetente aaltas
sq/sc SRF
Presionde deformacionsuave
principalesmayoresymenoresysq=esfuerzo tangencialmaximo(estimado de la teoria de la elasticidad)
iii)Existenalgunosregistrosdisponiblesque señalanque la altura deltecho de la excavaciona superficie esmejorque
elancho de la labor.Para estoscaso se sugiere incrementarde 2.5 a 5 para estoscasos(verH).

Alteracion hidrotermal de granito conteniento Montmorillonita
(SRF = 15, o mas?)

TIPOS DE ROCAS

CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO BASADAS EN INDICE DE
CALIDAD Q

SOSTENIMIENTOS SEGÚN EL INDICE Q

TIPOS DE SOSTENIMIENTO
(BARTON et at,1974)

PRESIONES SOBRE EL SOSTENIMIENTO
(BARTON et al, 1974)

CORRELACION ENTRE LOS INDICES
RMR Vs. Q
SE HAN PROPUESTO DISTINTAS CORRELACIONES EMPIRICAS
PARA RMR Y Q, ALGUNA DE LAS MAS CARACTERISTICAS SON
LAS SIGUIENTES:
 RMR = 9 Ln Q + 44 (BIENIAWSKI, 1979, SUDAFRICA)
 RMR = 5.9 Ln Q + 43 (RULEDGE Y PRESTON, 1980, NUEVA ZELANDIA)
 RMR = 5.4 Ln Q + 55.2 (MORENO, E. 1981, ASTURIAS)
 RMR = 10.5 Ln Q + 41.8 (ABAD, J. Et Al 1983, ASTURIAS)
 RMR = 5 Ln Q + 60.8 (CAMERON CLARK Y BUDAVARI 1981, SUDAFRICA)
TANTO EN LAS CLASIFICACIONES EMPIRICAS COMO EN LA DESCRIPCIÓN
CUALITATIVA NO COINCIDEN NI EN SUS CLASES NI EN SUS COEFICIENTES
DE REGRESIÓN. KAISER Y GALE (1985), BASÁNDOSE EN LOS ESTUDIOS
PROBABILÍSTICOS HA PROPUESTO UNA ÚNICA RELACIÓN: RMR = 8.5
Ln Q + 35

CORRELACION ENTRE CLASIFICACIONES
GEOMECANICAS (BIENIAWSKI,1979)

GEOMECANICAS (BIENIAWSKI,1979)
CLASES
RMR
VALORES
RMR
CLASES
Q
VALORES
Q
I 90 ± 10 Muy buena Extremadamente o
excepcionalmente buena
> 200
II 70 ± 10 Buena Buena a muy buena 20 – 20
III 50 ± 10 Regular Muy mala a buena 0.3 – 20
IV 30 ± 10 Mala Extremadamente mala 0.003 – 0.3
V 10 ± Muy Mala Excepcionalmente mala < 0.003
SEGÚN EL GRAFICO ANTERIOR AMBAS CLASIFICACIONES TENDRIAN LAS
SIGUIENTES EQUIVALENCIAS:

GEOMECANICAS
MODULO DEFORMACION IN SITU Em

TALLER APLICATIVO:
CLASIFICACION GEOMECANICA Q
(VER VIDEO)

GRACIAS
Guillermo Rodríguez Cayllahua
E-mail: guille_uni@yahoo.com
https://www.facebook.com/capacitacion.geomecanica

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