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Universidad Privada del Norte
MECANICA DE ROCAS.Ing. Danny D Valderrama G.
Caracterización y análisis geomecánico de macizos rocosos
El análisis geomecánico envuelve la comprensión de la respuesta mecánica del macizo rocoso para determinar la estabilidad y requerimientos de sostenimiento.
Figura Temas abordados en la caracterización y análisis geomecánico de macizos rocosos
EL MODELO GEOLÓGICO
Representa la distribución espacial de los materiales, estructuras tectónicas, datos geomorfológicos e hidrogeológicos, entre otros, presentes en el área de estudio y su entorno de influencia
Mapeo Geológico de un macizo rocoso
Modelo geológico
EL MODELO GEOMECÁNICO
Representa la caracterización geotécnica e hidrogeológica
de los materiales y su clasificación geomecánica.
Modelo geomecánico
Modelo numérico
EL MODELO GEOTÉCNICO DE COMPORTAMIENTO
Representa la respuesta del terreno durante la construcción
y después de la misma.
DURANTE LA CONSTRUCCION
DESPUES DE LA CONSTRUCCION
RQD(Rock Quality Designation)
• Rock quality designation index (RQD)• Rock Quality Designation index (RQD) fue
desarrollado por Deere (Deere et al 1967) como una herramienta para estimar cuantitativamente la calidad del macizo rocoso a partir de testigos de sondaje.
• RQD es definido como el porcentaje de piezas intactas mayores a 10 cm en el largo total del sondaje. El testigo debe ser al menos de tamaño NW (diámetro 54.7 mm o 2.15 pulgadas) y debe ser perforado con barras de doble tubo.
Cuando no hay testigos disponibles, RQD puede ser estimado del número de
discontinuidades por unidad de volumen:
• RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.), con Jv =
número total de discontinuidades por m 3 (0 < RQD < 100 for 35 > Jv > 4.5).
Rock Mass Classifications
• RQD
• Geomechanics System - Rock Mass Rating
(RMR) by Bieniawski (1984, 1989)
• Q-System - Norwegian Geotechnical Institute
(Barton, et al. 1974)
• Geological Strength Index, GSI (Hoek, et al.,
1995)
Rock Mass Rating (RMR)• RMR basado en cinco parametros:
– Resistencia uniaxial, qu
– RQD– Espaciamiento de discontinuidades– Condición de discontinuidades– Condición de agua subterránea
• RMR = R1+R2+R3+R4+R5
• Ajuste por orientación de discontinuidades relativo a la construcción
Rock CityChattanooga, TN
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300
Unconfined Compressive Strength, qu (MPa)
RM
R R
ati
ng
R1
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rock Quality Designation, RQD
RM
R R
ati
ng
R2
0
5
10
15
20
25
0.01 0.1 1 10
Joint Spacing (meters)
RM
R R
ati
ng
R3
0
5
10
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4 5 6Joint Separation or Gouge Thickness (mm)
RM
R R
ati
ng
R4 Slightly
Rough Weathered
Slickensided Surface or Gouge-Filled
Soft Gouge-Filled
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Joint Water Pressure Ratio, u/1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1 10 100 1000
Inflow per 10-m Tunnel Length (Liters/min)
Rough/Unweathered
Rock Mass Rating (RMR)Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989]
Rock Mass Rating (RMR)Geomechanics Systems (CSIR) [after Bieniawski, 1984, 1989]0
5
10
15
20
25
0.01 0.1 1 10
Joint Spacing (meters)
RM
R R
ati
ng
R3
0
5
10
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4 5 6Joint Separation or Gouge Thickness (mm)
RM
R R
ati
ng
R4 Slightly
Rough Weathered
Slickensided Surface or Gouge-Filled
Soft Gouge-Filled
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Joint Water Pressure Ratio, u/1
RM
R R
ati
ng
R5
u = joint water pressure
1 = major principal stress
Alternate 2 Defi nit ions
f or Parameter R5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1 10 100 1000
Inflow per 10-m Tunnel Length (Liters/min)
RM
R R
ati
ng
R5
Alternate 1 Defi nit ions
f or Parameter R5
Dry
Damp
Wet
Dripping
Flowing
ROCK MASS RATING (RMR) also CSIR System 5
Geomechanics System - (Bieniawski, 1984, 1989) RMR = Ri Geomechanics Classification for Rock Masses i = 1 CLASS DESCRIPTION RANGE of RMR
I Very Good Rock 81 to 100 NOTE: Rock Mass Rating is obtained by summing the five index II Good Rock 61 to 80 parameters to obtain an overal rating RMR. Adjustments for dip III Fair Rock 41 to 60 and orientation of discontinuities being favorable or unfavorableIV Poor Rock 21 to 40 for specific cases of tunnels, slopes, & foundations can also beV Very Poor Rock 0 to 20 considered.
0
2
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0 50 100 150 200 250 3000
5
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
NGI- Q Rating of Rock Masses• Q-Rating basado en 6 parametros:
– RQD– Número de sets de discontinuidades, Jn
– Rugosidad de Discontinuidades, Jr
– Condición de discontinuidades/relleno, Ja
– Condición de agua subterránea, Jw
– Stress Reduction Factor, SRF
• Rating:
SRF
J
J
J
J
RQDQ w
a
r
n
Tucson, AZ
N G I Q - S y s t e m R a t i n g f o r R o c k M a s s e s ( B a r t o n , L i e n , & L u n d e , 1 9 7 4 ) N o r w e g i a n C l a s s i f i c a t i o n f o r R o c k M a s s e s Q - V a l u e Q u a l i t y o f R o c k M a s s < 0 . 0 1 E x c e p t i o n a l l y P o o r 4 . D i s c o n t i n u i t y C o n d i t i o n & I n f i l l i n g = J a
0 . 0 1 t o 0 . 1 E x t r e m e l y P o o r 4 . 1 U n f i l l e d C a s e s 0 . 1 t o 1 V e r y P o o r H e a l e d 0 . 7 5 1 t o 4 P o o r S t a i n e d , n o a l t e r a t i o n 1 4 t o 1 0 F a i r S i l t y o r S a n d y C o a t i n g 3 1 0 t o 4 0 G o o d C l a y c o a t i n g 4 4 0 t o 1 0 0 V e r y G o o d 4 . 2 F i l l e d D i s c o n t i n u i t i e s 1 0 0 t o 4 0 0 E x t r e m e l y G o o d S a n d o r c r u s h e d r o c k i n f i l l 4 < 4 0 0 E x c e p t i o n a l l y G o o d S t i f f c l a y i n f i l l i n g < 5 m m 6
S o f t c l a y i n f i l l < 5 m m t h i c k 8
P A R A M E T E R S F O R T H E Q - R a t i n g o f R o c k M a s s e s S w e l l i n g c l a y < 5 m m 1 2 S t i f f c l a y i n f i l l > 5 m m t h i c k 1 0
1 . R Q D = R o c k Q u a l i t y D e s i g n a t i o n = s u m o f c o r e d p i e c e s S o f t c l a y i n f i l l > 5 m m t h i c k 1 5 > 1 0 0 m m l o n g , d i v i d e d b y t o t a l c o r e r u n l e n g t h S w e l l i n g c l a y > 5 m m 2 0
2 . N u m b e r o f S e t s o f D i s c o n t i n u i t i e s ( j o i n t s e t s ) = J n 5 . W a t e r C o n d i t i o n s M a s s i v e 0 . 5 D r y 1 O n e s e t 2 M e d i u m W a t e r I n f l o w 0 . 6 6 T w o s e t s 4 L a r g e i n f l o w i n u n f i l l e d j o i n t s 0 . 5 T h r e e s e t s 9 L a r g e i n f l o w w i t h f i l l e d j o i n t s F o u r o r m o r e s e t s 1 5 t h a t w a s h o u t 0 . 3 3 C r u s h e d r o c k 2 0 H i g h t r a n s i e n t f l o w 0 . 2 t o 0 . 1
H i g h c o n t i n u o u s f l o w 0 . 1 t o 0 . 0 5
3 . R o u g h n e s s o f D i s c o n t i n u i t i e s * = J r
N o n c o n t i n u o u s j o i n t s 4 6 . S t r e s s R e d u c t i o n F a c t o r * * = S R F R o u g h , w a v y 3 L o o s e r o c k w i t h c l a y i n f i l l 1 0 S m o o t h , w a v y 2 L o o s e r o c k w i t h o p e n j o i n t s 5 R o u g h , p l a n a r 1 . 5 S h a l l o w r o c k w i t h c l a y i n f i l l 2 . 5 S m o o t h , p l a n a r 1 R o c k w i t h u n f i l l e d j o i n t s 1 S l i c k a n d p l a n a r 0 . 5 F i l l e d d i s c o n t i n u i t i e s 1 * * N o t e : A d d i t i o n a l S R F v a l u e s g i v e n* N o t e : a d d + 1 i f m e a n j o i n t s p a c i n g > 3 m f o r r o c k s p r o n e t o b u r s t i n g , s q u e e z i n g
a n d s w e l l i n g b y B a r t o n e t a l . ( 1 9 7 4 )
SRF
J
J
J
J
RQDQ w
a
r
n
Geological Strength Index, GSI• Developed by Hoek, Kaiser, & Bawden (1995),
Hoek & Brown (1997).• GSI from Q-system:
• GSI from Geomechanics system where RMR > 25:
• Chart approach based on structure & surface quality
44log9
a
r
n J
J
J
RQDGSI
4
1
10i
iRGSI
GSI Evaluation from Chart
Hoek (2000)
Strength of Rock Masses
a
ubu sm
'
'' 331
Depends on Intact Rock Material and Rock Mass Jointing
Intact Rock
Uniaxial Compression Strength, qu = su
Rock Material Type using parameter mi
Fractured Rock Characteristics (in terms of GSI) Parameters mb and s and exponent "a"
Obtain Mohr-Coulomb Strength Envelope from:
Rock Strength: mi parameter
Strength of Fractured Rock Masses
a
ubu sm
'
'' 331
Parameter: mb = mi exp [(GSI-100)/28]
For GSI > 25: s = exp [(GSI-100)/9] exponent a = 0.5
For GSI < 25: s = 0 exponent a = 0.65 - (GSI/200)
Strength of Rock Massesmi
Strength of Rock Masses
mi
Máximo resistencia compresiva admisible (q) en un Macizo Rocoso según su RQD
F o u n d a t i o n s o n F r a c t u r e d R o c k F o r m a t i o n s
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
R o c k Q u a l i t y D e s i g n a t i o n , R Q D
Allowable
Bearing
Stress q
a (MPa)
P e c k , e t a l . ( 1 9 7 4 )
A p p r o x i m a t i o n
N o t e : U s e m a x i m u m q a < q u
w h e r e q u = c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f i n t a c t r o c k s p e c i m e n s
)130/(1
)16/(1)(
RQD
RQDMPaq ALLOWABLE
N O T E : 1 M P a = 1 0 t s f
Intact Rock Strength Interrelationships
I n t a c t R o c k S p e c i m e n s
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0C o m p r e s s i v e S t r e n g t h , q u ( M P a )
Tens
ile St
rength
, T0
(MPa
)
S e d i m e n t a r yM e t a m o r p h i cI g n e o u sT r e n d+ S . E .- S . E .
01.004.00 uq
T
ER-qu Groups for Igneous Rocks
Deere
and
Miller
(1966)
ER-qu Groups for Sedimentary Rocks
Deere
and
Miller
(1966)
ER-qu Groups for Metamorphic Rocks
Deereand
Miller(1966)
EMAX-qu Groups for All Types of Geomaterials
(Tatsuoka and Shibuya, 1992)