Clasificacion Q barton

CCCaaapppííítttuuulllooo777:::CCCLLLAAASSSIIIFFFIIICCCAAACCCIIIOOONNNEEESSSGGGEEEOOOMMMEEECCCÁÁÁNNNIIICCCAAASSS
7.1. Introducción
77..11.. IInnttrroodduucccciióónn
Las clasificaciones geomecánicas constituyen
actualmente un método fundamental para la
caracterización geomecánica de los macizos rocosos ya
que permiten obtener parámetros de resistencia y
deformabilidad del macizo y estimar los sostenimientos
de un túnel.
Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en
túneles son la RMR y la Q. Si bien ambas fueron
desarrolladas para estimar sostenimientos, el
parámetro RMR se ha ido consolidando como un índice
geomecánico para la evaluación de las propiedades del
macizo rocoso, usándose igualmente para la evaluación
del sostenimiento. 2

3
7.2. Clasificación Q
77..22.. CCllaassiiffiiccaacciióónn QQ
Desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir
del estudio de un gran número de túneles, constituye
un sistema de clasificación de macizos rocosos que
permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y
diseñar sostenimientos para túneles y cavernas
subterráneas. El índice Q está basado en una
evaluación numérica de seis parámetros dados por la
expresión:
Donde:
Q = RQD x Jr x Jw
Jn Ja SRF
Jn = índice de diaclasado que indica el grado de
fracturación del macizo rocoso.

Jr = índice de rugosidad de las discontinuidades
o juntas.
Ja = índice que indica la alteración de las
discontinuidades.
Jw = coeficiente reductor por la presencia de agua.
SRF (stress reduction factor) = coeficiente que tiene en
cuenta la influencia del estado tensional del macizo
rocoso.
Los tres factores de la expresión representan:
(RQD/Jn): el tamaño de los bloques
(Jr/Ja) : la resistencia al corte entre los bloques
(Jw/SRF): la influencia del estado tensional
4

El índice Q obtenido varía entre 0,001 y 1.000, con la
siguiente clasificación del macizo rocoso:
Entre 0,001 y 0,01: roca excepcionalmente mala
0,01 y 0,1: roca extremadamente mala
0,1 y 1: roca muy mala
1 y 4: roca mala
4 y 10: roca media
10 y 40: roca buena
40 y 100: roca muy buena
100 y 400: roca extremadamente buena
400 y 1.000: roca excepcionalmente buena
EJEMPLO:
Una cámara de chancadoras de 15 m de vano 5

(abertura) para una mina subterránea va a ser excavada
en norita a una profundidad de 2,100 m debajo de la
superficie. El macizo rocoso contiene dos familias de
juntas que controlan laestabilidad. Estas juntas son
onduladas, rugosas y no están meteorizadas,
presentando manchas de óxido de poca importancia en
la superficie. Los valores RQD varían entre 85% y
95% y los ensayos de laboratorio sobre muestras de
testigos de roca intacta arrojan una resistencia a la
compresión simple promedio de 170 MPa. Las
direcciones del esfuerzo principal son aproximadamente
verticales horizontales y la magnitud del esfuerzo
principal horizontal es de aproximadamente 1.5 veces la
del esfuerzo principal vertical. El macizo rocoso está
localmente húmedo pero no presenta evidencias de flujo
de agua. 6

SOLUCIÓN:
Para una profundidad por debajo de la superficie de
2100 m, el esfuerzo de sobrecarga será
aproximadamente:
σ2 = 2100 m * 2.7 ton/m3 * (1 Mpa/100 ton/m2)
= 56.7 MPa (esfuerzo principal vertical)
σ1 = 56.7 MPa * 1.5 = 85 MPa (esfuerzo principal horizontal)
La magnitud del esfuerzo principal horizontal es de
aproximadamente 1.5 veces la de esfuerzo principal
vertical.
σC/σ1 = (170 Mpa/85 Mpa) = 2
7

Z = 2100 m
σ2
σ1
Cámara de chancadora
Esfuerzos principales:
σ2
σ1
σ1 > σ2 > σ3
σ3
8

Tabla 3.6 Clasificación de parámetros individuales utilizados en el
Índice de Calidad de Excavación de Túneles Q (Según
Barton et al.1974)
DESCRIPCIÓN VALOR NOTAS
1. ÍNDICE DE CALIDAD DE
ROCA
RQD (%)
1. Cuando se obtienen valores del RQD inferiores o iguales a 10, se toma
un valor de 10 para calcular el índice Q.
2. Los intervalos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, 90 etc.,
tienen suficiente precisión.
A. Muy mala 0-25
B. Mala 25-50
C. Regular 50-75
D. Buena 75-90
E. Excelente 90-100
2. NUMERO DE FAMILIAS DE
JUNTAS
Jn NOTAS
A. Masivo o con pocas juntas 0.5-1.0
1. En intersecciones de túneles se utiliza la expresión (3.0 x Jn)
2. En las bocaminas de los túneles se utiliza la expresión (2.0 x Jn)
B. Una familia de juntas 2
C. Una familia de juntas + una
aislada
3
D.Dos familias de juntas 4
E. Dos familias de juntas + una
aislada
6
F. Tres familias de juntas 9
G.Tres familias y algunas juntas
aleatorias
12
H.Cuatros familias, juntas
aleatorias, roca muy fracturada,
roca en terrones, etc.
15
I. Roca triturada, terrosa. 20
9

3. RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS Jr
1. Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeña
escala y a escala intermedia, por este orden.
a) Contacto con las paredes
b) Contacto con las paredes antes de un corte
de 10 cm
A. Juntas sin continuidad 4
B. Rugosa e irregulares, onduladas 3
C. Lisa, ondulantes 2
D. Pulidas, ondulantes 1.5
E. Rugosas o irregulares, planares 1.5
F. Lisas, planares 1.0
G. Pulidas, planares 0.5
c) Sin contacto con roca después de corte de
10 cm
1. Si el espaciado de la principal familia de discontinuidades
es superior a 3m, se debe aumentar el índe Jr, en una
unidad.
2. En el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que
presenten lineaciones, y que dichas lineaciones estén
orientadas según la dirección de mínima resistencia, se
puede utilizar el valor Jr=0,5..
H. Zonas que contienen minerales arcillosos,
de espesor suficiente para impedir el
contacto de paredes.
1.0
I. Zona arenosa, gravosa o de roca triturada,
de espesor suficiente para impedir el
contacto de paredes.
1.0
4. ALTERACIÓN DE LAS JUNTAS Ja φr, grados aproximadamente
a) Contacto con las paredes de roca 1. Los valores de φr, ángulo de fricción residual, dan
una guía aproximada de las propiedades
mineralógicas de los productos de alteración, si
éstos están presentes.
A. Relleno soldado, duro, inablandable,
impermeable.
0.75
B. Paredes de juntas inalteradas, sólo con
manchas de oxidación.
1.0 (25°-30°)
C. Paredes ligeramente alteradas, con
recubrimiento de minerales inablandables,
partículas arenosas, roca desintegradazo
no arcillosa.
2.0 (25°-30°)
D. Recubrimientos limosos o arenoso-
arcillosos, con una pequeña fracción de
arcilla (inablandable).
3.0 (20°-25°)
E. Recubrimientos ablandables o con arcilla
de baja fricción o sea kaolinita o mica.
También clorita, talco, yeso, grafito, etc., y
pequeñas cantidades de arcillas expansivas
(recubrimiento discontinuo de 1-2 mm de
espesor menos)
4.0 (8°-16°)
10

b) Contacto con las paredes antes
de un corte de 10 cm
Ja φr NOTAS
F. Partículas arenosas, roca
desintegrada, sin arcilla, etc.
4.0 (25°-30°)
G.Rellenos de minerales arcillosos
muy sobreconsolidados e
inablandables (continuos <5 mm
de espesor)
6.0 (16°-24°)
H. Rellenos de minerales arcillosos
de sobreconsolidación media a
baja (continuos <5 mm de
espesor)
8.0 (12°-16°)
I. Rellenos de arcilla expansiva, o
sea montmorillonita (continuos
<5 mm de espesor). El valor Ja
depende del porcentaje de
partículas expansivas del tamaño
de arcilla y del acceso al agua.
8.0-12.0 (6°-12°)
c) Sin contacto de las paredes
después del corte
Ja φr NOTAS
J. Zonas o capas de roca
desintegrada o triturada y
6.0
Nota:
Los valores expresados para los parámetros Jr y Ja de
aplican a las familias de diaclasas que son menos
favorables con relación a la estabilidad, tanto por la
orientación de las mismas como por su resistencia al
corte (esta resistencia puede evaluarse mediante la
expresión: T ~ σn tg-1
(Jr/Ja).
K. arcilla (ver G, H e I para las
condiciones de la
8.0
L. arcilla) 8.0-12.0 (6°-24°)
M.Zonas o capas de arcilla limosa o
arenosa, pequeña fracción de
arcilla (inablandable).
5.0
N. Zonas o capas gruesas y
continuas de arcilla.
10.0-13.0
O.(ver G, H, I para las condiciones
de la arcilla)
6.0-24.0
11

5. REDUCCIÓN PORAGUA EN
LASJUNTAS
Jw Presión aproximada delAgua(Kgf/cm2
)
A.Excavación secao flujosbajos
(<5 L/minlocalmente)
1.0 <1.0
Nota:
1. Losfactores C hastaF sonestimaciones imprecisas. Aumentar
Jw,si se instala drenaje.
2. Losproblemas especiales causados porla presencia de hielo
no se toman enconsideración.
B.Flujoo presión medios, con
lavado ocasional de los rellenos.
0.66 1.0-2.5
C.Granflujoo presión altaen roca
competente conjuntassin
relleno.
0.5 2.5-10.0
D.Granflujoo presión alta,lavado
considerable delos rellenos.
0.33 2.5-10.0
E.Flujoo presión excepcionalmente
altosconlasvoladuras,
disminuyendo conel tiempo.
0.2-0.1 >10
F.Flujoo presión excepcionalmente
altosen todomomento.
0.1-
0.05
>10
12

6. FACTOR DE REDUCCIÓN DE
ESFUERZOS
SRF NOTAS
a) Zonas de debilidad que
intersectan la excavación y
pueden ser las causas de que el
macizo se desestabilice se
construya el túnel.
1. Reducir estos valores del SRF en un 25-50%, si las zonas de corte
relevantes influencian pero no intersectan la excavación.
13
A. Múltiples zonas de debilidad con
contenido de arcilla o roca
químicamentedesintegrada; roca
circundantemuy suelta (cualquier
profundidad).
10.0
B. Zonas de debilidad aisladas que
contengan arcilla o roca
químicamente desintegrada
(profundidad de excavación
<50m).
5.0
C.Zonas de debilidad aisladas que
contengan arcilla o roca
químicamente desintegrada
>50m).
2.5
D.Múltiples zonas de corte en roca
competente (sin arcilla), roca
circundante suelta (cualquier
profundidad).
7.5
E. Zonas de corte aisladas en roca
competente (sin arcilla)
<50m).
5.0
F. Zonas de corte aisladas en roca
competente (sin arcilla)
>50m)
2.5
G.Juntas abiertas sueltas, fisuración
intensa (cualquier profundidad)
5.0

b) Roca competente,problemasde
esfuerzos σc/σ1 σt/σ1 SRF
NOTAS
A.Esfuerzobajo, cercade la
superficie.
>200 >13 2.5
2. Para un campode tensionesmuy anisotrópico (si
es medido):cuando5Uσ1/σ3U10, reducirσc a 0.8σc
y σt a 0.8 σt donde:
σc resistenciaa la compresión sin confinar
σt =resistencia a la tracción(cargapuntual)
σ1 y σ3 = esfuerzosprincipalesmayory menor.
B.Esfuerzomedio 200-10 13-0.66 1.0
C.Esfuerzoelevado,estructuramuy
cerrada,generalmente favorable
para la estabilidad,puedeser
desfavorable para la estabilidad
de las paredes.
10-5 0.66-0.33 0.5-2
D.Estallidode rocamoderado(roca
masiva)
5-2.5 0.33-0.16 5-10
E.Estallidode roca intenso(roca
masiva).
<2.5 <0.16 10-20
c) Roca compresiva, flujo plástico
de roca incompetente bajo la
influenciade presionesaltas de
roca.
NOTAS
A.Presiónmoderadade roca
extrusivao
5-10
3. Hay pocosregistrosde casosdondela profundidaddel techo debajode
la superficiesea menorque el ancho.Se sugiereque se incrementeel
SRF de 2.5 a 5 para esos casos (ver H).
B.Presiónalta de roca extrusiva 10-20
d) Roca expansiva,acciónquímica
expansiva,dependiendo de la
presenciade agua
A.Presiónmoderadade roca
expansiva
5-10
B.Presiónalta de roca expansiva. 10-15
14

La Tabla 3.6.6 muestra que, para roca competente
con problemas de esfuerzo, se puede esperar que este
valor de σc/σ1 produzca fuertes condiciones de estallido
de la roca y que el valor SRF debe estar entre 10 y 20.
Para este cálculo se asumirá un valor de SRF = 15.
Utilizando estos valores se tiene:
Q = RQD * Jr * Jw = 90 * 3 * 1 = 4.5
Jn Ja SRF 4 1 15
77..33.. SSoosstteenniimmiieennttooss aa ppaarrttiirr ddeell íínnddiiccee QQ
Para la estimación de los sostenimientos a partir de Q,
se definen los siguientes parámetros:
15

a) Diámetro equivalente del túnel (De)
Para relacionar el valor del índice Qa la estabilidad y
requerimiento de sostenimiento de excavaciones
subterráneas, Barton et al (1974) definió un parámetro
adicional al que se denominó la Dimensión Equivalente
“De” de la excavación. Esta dimensión se obtiene
dividiendo el vano, diámetro o la altura de la pared de la
excavación entre una cantidad llamada la Relación de
Sostenimiento ESR. Entonces:
De = vano, diámetro o altura de la excavación (m)
ESR
b) Relación de sostenimiento de excavación (ESR)
16

La estación de chancado yace dentro de la categoría de
excavaciones mineras permanentes (Tabla 1) y se le
asigna una relación de sostenimiento de excavación
ESR = 1.6.
En consecuencia, para un vano de excavación de 15 m,
la dimensión equivalente es:
De = 15/1.6 = 9.4
La “De” es utilizada para definir una serie de categorías
de sostenimiento mediante un gráfico publicado en texto
original preparado por Barton et al (1974). Este gráfico
ha sido actualizado por Grimstad y Barton (1993) para
reflejar el uso progresivo del shotcrete reforzado con
fibra de acero en el sostenimiento en el sostenimie17nto
de excavaciones subterráneas (Figura 1).

CATEGORÍA DE EXCAVACIÓN ESR
A Excavación mineras temporales 3-5
B Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para proyectos
hidroeléctricos (excluyendo tuberías forzadas de alta presión), galerías, túneles piloto y
galerías de avance.
1.6
C Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de agua, túneles menores para
carreteras o vías férreas, cámaras de equilibrio, túneles de acceso.
1.3
D Estaciones de energía, túneles grandes para carreteras y vías férreas, refugios de defensa
civiles, intersecciones de portales.
1.0
E Estaciones de energía nuclear subterráneas, estaciones ferroviarias, instalaciones
deportivas y públicas, fábricas.
0.8
De la Figura 1, un valor de “De” de 9.4 y un valor de Q
de 4.5 coloca a esta excavación para la chancadora
dentro de la categoría (4) la cual requiere de un patrón
de pernos de roca (espaciados 2.3 m) y 40 a 50 mm de
shotcrete no armado.
Tabla 1 Categoría de excavación
18

AnchooAlturaen
ESR
mDe=
LongituddelospernosenmparaESR=1
100
Excepcionalmente
Mala
Extremadamente
Mala
Muy Mala Mala Regular Buena Muy
Buena
2.5m
2.1m
2.3m
Ext.
Buena
Exc.
Buena
20
50
1.0m
20
1.2m
1.3m
1.5m
1.7m
10
7
5
(9) (8) (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1)
4.0 m
10
3.0 m
5
2.0 m
1.5 m
3
2.4
2
1.0 m
1
1.3 m 1.5
0.004 0.01 0.04 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000
Calidad del Macizo Rocoso Q =
RQD
x
J r
x
Jw
Jn Ja SRF
Figura 1 Categorías de sostenimiento estimadas en base al índice
Q (Según Grimstad y Barton 1993) 19

con fibra, de 50-90 mm, y
con fibra, de 90-120 mm y
CATEGORÍAS DE REFUERZO:
1) Sin sostenimiento.
2) Empernado puntual.
3) Empernado sistemático.
4) Empernado sistemático con 40-100 mm de shotcrete
sin refuerzo.
5) Shotcrete reforzado
empernado.
6) Shotcrete reforzado
empernado.
7) Shotcrete reforzado con fibra, de 120-150 mm, y
empernado.
8) Shotcrete reforzado con fibras, >150 mm, con
cerchas reforzadas de shotcrete y empernado.
9) Revestimiento de concreto moldeado. 20

Figura 1 Sostenimiento según el índice Q (Barton, 2000) 21

1 15
de Q, para una dimensión
Loset (1992) sugiere que, para rocas con 4 < Q < 30, los
daños por voladura producirán, la creación de nuevas
"juntas" con una consiguiente reducción local en el valor
de “Q” para la roca que circunda la excavación. Se
sugiere que esto puede justificarse reduciendo el valor
de RQD para la zona dañada por la voladura.
Asumiendo que el valor de RQD para la roca
descomprimida alrededor de la cámara de
chancadoras baja al 50 %, el valor resultante de Q es:
Q = RQD * Jr * Jw = 50 * 3 * 1 = 2.5
Jn Ja SRF 4
De la Figura 1, este valor
equivalente “De” de 9.4, pone a la excavación 2j2usto
dentro de la categoría (5) la cual requiere de pernos de

roca, espaciados aproximadamente 2 m, y una capa
gruesa de 50 mm de shotcrete reforzado con fibra de
acero.
c) Longitud de pernos (L)
Barton et al (1980) proporciona información adicional
acerca de la longitud de los pernos, la longitud “L” de los
pernos de roca pueden estimarse a partir del ancho de
excavación “B” y la Relación de Sostenimiento de la
Excavación ESR:
L = 2 + 0.15B
ESR
d) Máximo vano sin sostener (longitud pase) 23

El ancho de luz máxima sin sostenimiento puede
estimarse a partir de:
Ancho o luz máxima (sin sostenimiento)=2 ESR Q0.4 (m)
e) Carga de roca sobre el techo (Pr) (kp/cm2)
En base a los análisis de los registros de casos,
Grimstad y Barton (1993) sugirieron que la relación
entre el valor de “Q” y la presión de sostenimiento
permanente del techo “Pr” es estimada a partir de:
Pr = 2 Jn Q-1/3 Para macizos con menos de tres familias de discontinuidades
3 Jr
Pr = 2 Q-1/3 Para macizos con tres o más familias de discontinuidades
Jr
24

Ph = 5Q
< 10 Ph = 2.5Q
Ph = Q
f) Carga de roca en hastiales (Ph) (kp/cm2)
Para Q >10
Para 0.1 < Q
Para Q < 0.1
25

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