Clasificación y Caracterización de Macizos Rocosos: Sistemas y Criterios de Falla

Diferencias entre los Sistemas de Clasificación y Caracterización de Macizos Rocosos

Los sistemas de clasificación geomecánica permiten categorizar los macizos rocosos en función de sus propiedades y características. A continuación, se describen las diferencias entre los sistemas RQD, Q, Q', RMR_B, GSI y RMRL, y se indica cuándo es aplicable cada uno de ellos:

• RQD (Rock Quality Designation):
  • Se basa en la recuperación modificada de un testigo, considerando solo fragmentos iguales o superiores a 100 mm de longitud.
  • El diámetro del testigo debe ser igual o superior a 50 mm y debe ser perforado con un doble tubo de extracción.
  • Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de alteración del macizo rocoso.
  • Aplicable en túneles, cámaras largas, minería y fundaciones.
• Q de Barton:
  • Considera los siguientes factores: RQD, cantidad de sistemas de discontinuidades, rugosidad de las discontinuidades, alteración de las discontinuidades, presencia de agua en las discontinuidades y el parámetro SRF (factor de reducción por condición de esfuerzos en el macizo rocoso).
  • Se aplica en túneles y cámaras largas.
• Q':
  • Similar al índice Q, pero no considera la presencia de agua ni el parámetro SRF.
  • Se utiliza para el análisis de estabilidad del macizo rocoso en condiciones secas.
  • Considera: RQD, cantidad de sistemas de discontinuidades, rugosidad de las discontinuidades y alteración de las discontinuidades.
• RMR_B (Rock Mass Rating - Bieniawski):
  • Considera: resistencia uniaxial de la roca (UCS), RQD, espaciamiento de las discontinuidades, condición de las discontinuidades, presencia de aguas subterráneas y orientación de las discontinuidades.
  • Se aplica en túneles, minería y fundaciones.
• GSI (Geological Strength Index):
  • Diseñado para determinar los parámetros m_G, s y A del criterio de Hoek-Brown.
  • Combina la fracturación y la forma de los bloques con la resistencia al corte de las discontinuidades.
  • Busca subsanar los problemas del RMR con el macizo rocoso y las profundidades de la roca intacta.
• RMRL (Rock Mass Rating for Logging):
  • Considera la resistencia uniaxial de la roca (UCS).

Criterios de Falla de Hoek-Brown Generalizado y Mohr-Coulomb

Los criterios de falla son modelos matemáticos que describen el comportamiento de los materiales rocosos bajo diferentes estados de esfuerzo. A continuación, se explica en qué consisten los criterios de Hoek-Brown Generalizado y Mohr-Coulomb, sus ventajas, limitaciones y cómo obtener una equivalencia entre ambos.

Ventajas y Limitaciones

• Mohr-Coulomb (MC):
  • Ventajas: Permite visualizar el corte y los esfuerzos principales.
  • Limitaciones: La relación entre los esfuerzos principales σ₁ y σ₃ no es lineal. La dirección de la falla no siempre coincide con la observada experimentalmente. Es preferido para roca intacta. El momento de la falla se considera al peak. El corte depende de la cohesión y la fricción.
• Hoek-Brown (HB):
  • Ventajas: Permite estimar los esfuerzos principales a partir de perturbaciones del macizo rocoso.
  • Limitaciones: Solo se puede aplicar a material rocoso intacto o a macizos rocosos fracturados que puedan ser considerados homogéneos e isótropos. No se aplica en macizos rocosos cuyas propiedades estén controladas por una sola familia de discontinuidades, como los estratificados. Cuando aparecen dos familias muy marcadas de discontinuidades, se debe utilizar el criterio de HB con cierta prudencia.

Equivalencia entre Criterios

Es posible obtener una equivalencia entre ambos criterios ajustando la curva de Hoek-Brown a la envolvente de falla de Mohr-Coulomb en un rango de esfuerzos de interés. Esto se logra mediante la determinación de los parámetros de cohesión y ángulo de fricción equivalentes.

Reforzar, Soportar y Retener en Minería Subterránea

En la estabilización de excavaciones subterráneas, es fundamental comprender la diferencia entre reforzar, soportar y retener:

• Reforzar:
  • Actúa integralmente con la roca.
  • Previene la separación y el deslizamiento de bloques a lo largo de planos de debilidad al interior de la roca.
  • Conserva la resistencia inherente del macizo rocoso.
  • Busca atrapar macrobloques inestables.
  • Ejemplos: pernos, cables.
• Soportar:
  • Actúa en el extremo de la roca.
  • Sostiene la carga de los elementos de roca fracturados o bloques individuales.
  • Toma la mayor carga.
  • Ejemplos: marcos de acero, arcos de acero, shotcrete (en algunos casos).
• Retener:
  • Mantiene los fragmentos de roca fracturada entre los elementos soportantes.
  • El shotcrete, en general, no toma cargas por diseño en esta función.
  • Ejemplos: mallas, straps.

Limitaciones de la Red de Schmidt

La Red de Schmidt, o red estereográfica, es una herramienta útil para la representación de datos geológicos, como la orientación de discontinuidades. Sin embargo, presenta la desventaja de tener una distorsión radial, lo que significa que no conserva los ángulos, pero sí las áreas. En el contexto de las discontinuidades, esta distorsión angular puede llevar a una representación gráfica incorrecta de los distintos sets de discontinuidades y, por lo tanto, a una interpretación errónea del tipo de falla (plana, cuña o volcamiento). La precisión de la interpretación depende de la disposición de los diferentes sets de discontinuidades.