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División El TenienteCODELCO - CHILE

Estudio DT - IG - 97 - 002Julio de 1997

Modelo Geomecánico delMacizo Rocoso Primario

de Mina El TenienteCONCEPTOS

FUNDAMENTALES

1

Resumen Ejecutivo Dada la importancia que tiene para División El Teniente la mecánica del proceso de caving,

actualmente los ingenieros y geólogos de la División se encuentran estudiando en forma detallada este fenómeno, e invitaron a este consultor a participar en dicho estudio.

El presente informe representa la primera parte de dicha participación, y su propósito es pro-

poner, en base a algunos conceptos fundamentales, un modelo geomecánico para el macizo rocoso pri-mario de la Mina El Teniente. En este informe se discuten algunos aspectos básicos de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos, se resume el comportamiento observado en modelos físicos de medios clásticos o formados por bloques y las metodologías usuales para evaluar las propiedades mecá-nicas de los macizos rocoso; y, conforme con todo lo anterior, se propone un modelo geomecánico con-ceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente, que es competente, masivo y con un enreja-do tipo “stockwork” de estructuras selladas.

Como resultado de este trabajo se puede señalar lo siguiente :

(1) Se definieron los conceptos básicos necesarios para definir un modelo conceptual de macizo roco-so, así como también una serie de términos comúnmente utilizados en ingeniería y geología geotéc-nica (ver Sección 3, pgs. 1 a 19).

(2) Se define el concepto más general de macizo rocoso; demostrándose que el mismo está asociado a

un concepto de escala o volumen de material, y que depende del problema particular que se este considerando. Por lo tanto, los conceptos de roca intacta, macizo rocoso y estructuras del macizo rocoso están acoplados y no pueden definirse en forma independiente (ver Sección 4, pgs. 20 a 22).

(3) Conforme con lo anterior, también se ordenan las estructuras geológicas según su “tamaño” (ver

Sección 5, pgs. 23 a 25).

(4) Se han revisado los resultados de ensayos sobre probetas con discontinuidades y/o conformadas por bloques (ver Sección 6.2, pgs. 26 a 36), concluyéndose lo siguiente :

• La presencia de discontinuidades disminuye o hace menos competentes las propiedades

mecánicas de la roca intacta y, si existen varios sistemas de discontinuidades que definen bloques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda definida por un único sistema de discontinuidades).

• La presencia de discontinuidades que definen bloques induce un comportamiento anisotrópi-

co, que puede llegar a ser muy notable y queda definido, usualmente, por la dirección de las discontinuidades más débiles, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las discontinuidades más blandas, en lo que se refiere a compresibilidad.

• A medida que aumenta el número de sistemas o familias de discontinuidades, la anisotropía

inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del material se hace más isotrópi-co. De hecho, la anisotropía suele ser máxima cuando existe un único sistema de disconti-nuidades que es claramente dominante.

• El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que también de la

geometría de éstos.

2

• La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocurrencia de

modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica definida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o in-estabilidades tipo “kink band”.

• Dependiendo de las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resistencias de

la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura pue-de ser o no influenciada por la orientación de las discontinuidades y puede comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.

• Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento carga-

deformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga.

(5) Se han revisado los métodos que se han utilizado en la práctica para evaluar las propiedades me-

cánicas del macizo rocoso (ver Sección 6.3, pgs. 37 a 40), concluyéndose que la tendencia actual es utilizar el método generalizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser correcto, ya que :

• La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesariamente

concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos métodos. • El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores meno-

res de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

• En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla geoló-

gica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen planos de cizalle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de hacer esto no ha sido explícitamente definida.

• Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comportamiento iso-

trópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructural que tenga in-fluencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evidentemente, existen mu-chos casos en que esto no es así.

• Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas fracturas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícitamente definido, pero Karzu-lovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el cri-terio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos.

3

Por lo tanto puede concluirse que los métodos actualmente utilizados “en forma estándar” pa-ra evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de estructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no influyen la cine-mática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente.

(6) Si se acepta como hipótesis básica, como en este trabajo, que el macizo rocoso está formado por

bloques; entonces, en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre modelos constitui-dos por bloques que se han publicado en la literatura, se puede concluir que eventuales desplaza-mientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del macizo rocoso. Por lo tanto, resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos despla-zamientos y para esto se acepta la validez del Teorema de Shi (ver Sección7 , pg. 41).

(7) Se propone el siguiente modelo mecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina El

Teniente (ver Sección 8, pgs. 41 a 49) :

• El macizo rocoso primario corresponde a un volumen de material conformado por bloques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con rellenos menos competentes que su ro-ca de caja (ver Figura 8.9 de pg. 46).

• Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla

4.1 de pg. 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el posible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

• Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso

y su comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las discontinuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discontinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en pg. 24 y Tabla 8.1 de pg. 47).

• El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominantes”, las

cuales quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, también, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direcciones “predominantes primarias”, que dependen únicamente del arreglo estruc-tural del macizo rocoso, y direcciones “predominantes secundarias”, que dependen del arre-glo estructural y de la cavidad subterránea del problema considerado. Las direcciones “pre-dominantes primarias” quedan definidas por las direcciones más débiles que son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subte-rránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas estructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la direc-ción de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxima resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir, de acuerdo a Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asociados a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta es la dirección de máxi-ma resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia). Estas direcciones “pre-

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dominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geofábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son ortogonales, se sugiere el considerar siste-mas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria. Las direcciones “predominantes secundarias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secunda-rias corresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arreglo estructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subterránea (que define hacia donde se puede mover el material), y de las fuerzas actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad).

• Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cinemática-

mente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea, entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotró-pico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este ca-so, se sugiere utilizar el criterio generalizado de Hoek-Brown para definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

• Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemáticamen-

te admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subte-rránea29, entonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será preciso proceder de la siguiente manera :

− Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)). − Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman

(1995)). En este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que de-finen los bloques.

− Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortificación

adecuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP.

− Deberá repetirse este análisis para la nueva cavidad.

• Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen de ma-

terial considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plausible la ocu-rrencia de modos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facilitan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el inter-ior del macizo, de cuerpos filonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominante en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, di-que de lamprófido, etc.).

5

El modelo mecánico aquí propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo conceptual

y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a :

(a) Desarrollar un ejemplo de aplicación de la metodología recomendada para definir bloques

removibles (i.e. teoría de bloques), y el análisis de la estabilidad de dichos bloques. (b) Aplicar el modelo mecánico a uno o dos casos prácticos.

Finalmente, cabe señalar que : • El modelo mecánico aquí propuesto no considera la posibilidad que los bloques que se

desplazan se traben entre sí . • Debe tenerse presente que en cualquier análisis deberá considerarse la evolución en

el tiempo de las solicitaciones sobre el macizo rocoso, producto inevitable de la opera-ción minera.

DIVISIÓN EL TENIENTE CODELCO - CHILE

MODELO GEOMECÁNICO DEL MACIZO ROCOSO PRIMARIO

DE MINA EL TENIENTE

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

INDICE DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ..… 1

2. ANTECEDENTES Y FUENTES DE INFORMACION ….. 1

3. DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS ….. 1

4. CONCEPTO Y ESCALAS DEL MACIZO ROCOSO … 20

5. ESCALA Y ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS … 23

6. PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO … 25 6.1. GENERALIDADES … 25

6.2. MODELOS FÍSICOS Y ENSAYOS DE LABORATORIO … 26

6.3. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO : EFECTO DE ESCALA … 37

7. TEOREMA DE SHI … 41

8. MODELO GEOMECANICO PROPUESTO PARA EL MACIZO ROCOSO PRIMARIO DE EL TENIENTE … 41

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES … 50

10. REFERENCIAS … 55



DE MINA EL TENIENTE


INDICE DE TABLAS Tabla 3.1 : ALGUNOS SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE ROCAS, ESTRUCTURAS Y MACIZOS ROCOSOS … 12 Tabla 3.2 : CALIFICACION DEL MACIZO ROCOSO SEGUN SU GRADO DE FRACTURAMIENTO … 14 Tabla 3.3 : RELACION ENTRE EL TAMAÑO “TIPICO” DE LOS BLOQUES QUE CONFORMAN EL MACIZO ROCOSO Y JV … 15 Tabla 4.1 : ESCALAS DE MACIZOS ROCOSOS Y VOLUMENES DE MATERIAL CONSIDERADO … 22 Tabla 5.1 : ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y SUS CARACTERISTICAS … 24 Tabla 6.1 : TIPOS DE MODELOS FISICOS DEL MACIZO ROCOSO … 27 Tabla 6.2 : ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES … 28 Tabla 6.3 : METODOS PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO … 39 Tabla 8.1 : ESCALAS DE MACIZO ROCOSO Y ESTRUCTURAS ASOCIADAS A DISTINTOS TIPOS DE PROBLEMAS DE CAVIDADES SUBTERRANEAS … 22



DE MINA EL TENIENTE


INDICE DE FIGURAS Figura 3.1 : EJEMPLOS DE ROCA INTACTA CON DISTINTA PETROFÁBRICA Y DISTINTO COMPORTAMIENTO … ….. 4

Figura 3.2 : PROBETAS DE BRECHA ÍGNEA CON UN ARREGLO DE VETILLAS SELLADAS … ….. 4

Figura 3.3 : EJEMPLOS DE DISTINTOS TIPOS DE ROCA INTACTA ..… 5

Figura 3.4 : EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS CON PERSISTENCIAS EN EL RANGO DE … ..… 7

Figura 3.5 : ALGUNOS EJEMPLOS DE MACIZO ROCOSO ..… 9

Figura 3.6 : VARIACIÓN DE LA GEOFÁBRICA DE UNA ARCILLA REMOLDEADA DURANTE LA EVOLUCION … ….. 11

Figura 3.7 : DIAGRAMA DE ROSETA QUE MUESTRA LA VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA Y ORIENTACION … ….. 11

Figura 3.8 : EJEMPLO IILUSTRATIVO DE LA FORMA DE CALCULO DEL INDICE RQD ….. 15

Figura 3.9 : VARIACIÓN DEL INDICE RQD CON EL GRADO DE FRACTURAMIENTO FF ….. 16

Figura 3.10 : TIPOS DE BLOQUES QUE PUEDEN ENCONTRARSE EN EL MACIZO ROCOSO … ….. 16

Figura 3.11 : POSIBLES TIPOS DE BLOQUES EN UN MACIZO ROCOSO ….. 17

Figura 3.12 : EJEMPLO QUE MUESTRAN COMO UN BLOQUE CON UNA MISMA GEOMETRÍA IN SITU … ….. 18

Figura 3.13 : EJEMPLO DE LA DEFINICIÓN TOPOLÓGICA DE LOS JP QUE PRODUCEN EN EL MACIZO … ….. 19

Figura 3.14 : EJEMPLO BIDIMENSIONAL QUE ILUSTRA LA DEFINICIÓN TOPOLOGICA DE LAS JP Y … ….. 20

Figura 4.1 : ESQUEMA QUE MUESTRA EL EFECTO DEL VOLUMEN DE MATERIAL CONSIDERADO … ….. 21

Figura 4.2 : ESQUEMA QUE MUESTRA COMO, DEPENDIENDO DEL PROBLEMA A ANALIZAR, PUEDEN … ….. 22

Figura 5.1 : ESQUEMA QUE MUESTRA COMO, DEPENDIENDO DEL PROBLEMA A ANALIZAR, PUEDEN… ….. 25

Figura 6.1 : EJEMPLOS DE ALGUNOS DE LOS MODELOS FÍSICOS DE BLOQUES QUE HAN SIDO … ….. 27

Figura 6.2 : ENVOLVENTES DE FALLA DE MOHR-COULOMB OBTENIDAS PARA PROBETAS DE … ….. 30

Figura 6.3 : CASO DE RESISTENCIA ANISOTRÓPICA DEBIDO A DISCONTINUIDADES QUE DEFINEN … ….. 30

Figura 6.4 : EJEMPLO QUE MUESTRA COMO AL AUMENTAR EL NÚMERO DE SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES… ….. 31

Figura 6.5 : CONFIGURACIONES DE BLOQUES ENSAYADAS POR BROWN (1970,76) ….. 31

Figura 6.6 : VARIACIÓN DE LA FUERZA AXIAL, FA, DEL CAMBIO DE VOLUMEN, ∆V, Y DEL CAMBIO DE … ….. 32

Figura 6.7 : CURVAS ESFUERZO DESVIATÓRICO VERSUS DEFORMACIÓN AXIAL OBTENIDAS POR BROWN (1976) ….. 33

Figura 6.8 : EJEMPLO DE FALLAS TIPO “KINK BAND” EN UN MEDIO FORMADO POR BLOQUES ….. 34

Figura 6.9 : DISTINTOS MODOS DE FALLA EN PROBETAS CONFORMADAS POR BLOQUES… ….. 35

Figura 6.10 : DISTINTOS MODOS DE FALLA EN MODELOS DE BLOQUES ENSAYADOS POR LAMA (1975) ….. 35

Figura 6.11 : EJEMPLOS DE DISTINTOS COMPORTAMIENTOS CARGA-DEFORMACIÓN EN FUNCION DE LA … ….. 36

Figura 6.12 : ESQUEMA QUE MUESTRA LA APLICABILIDAD DEL CRITERIO DE HOEK-BROWN ….. 40

Figura 8.1 : MUESTRA DE ANDESITA PRIMARIA DEL SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE… ….. 42

Figura 8.2 : MUESTRA DE ANDESITA PRIMARIA DEL SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE… ….. 42

Figura 8.3 : DETALLE QUE MUESTRA LA SUPERFICIE DE UN TROZO EXPUESTO DE LA FALLA B QUE APARECE… ….. 43

Figura 8.4 : DETALLE QUE MUESTRA LA SUPERFICIE EXPUESTA DE UNA FALLA EN EL NIVEL TENIENTE 5… ….. 43

Figura 8.5 : SOBRE-EXCAVACIÓN SIN CONTROL ESTRUCTURAL EN UN PIQUE CIRCULAR DEL UNDERGROUND… ….. 44

Figura 8.6 : SOBRE-EXCAVACIÓN COMPLETAMENTE DEFINIDA POR ESTRUCTURAS, LAS CUALES DEFINEN… ….. 44

Figura 8.7 : PROBETA C-5 U-20.2 DE ANDESITA PRIMARIA HW, SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE… ….. 45

Figura 8.8 : PROBETA C-5 U-20.3 DE ANDESITA PRIMARIA HW, SECTOR ESMERALDA DE MINA EL TENIENTE… ….. 45

Figura 8.9 : EJEMPLO DEL MODELO DE MACIZO ROCOSO PRIMARIO QUE AQUÍ SE PROPONE… ….. 46

Figura 8.10 : DETERMINACIÓN DE LA DIRECCIÓN DE MÁXIMA RESISTENCIA CONFORME CON LA PROPOSICION DE… ….. 48

A. Karzulovic & Asoc. Ltda. Modelo Geomecánico del Macizo Rocoso Primario de Mina El Teniente

CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1

Brown Norte 476, Of. 304, Ñuñoa, SANTIAGO / Fonos & Faxes : 225 - 5663 & 204 - 0548

1. INTRODUCCION Dada la importancia que tiene para División El Teniente la mecánica del proceso de caving,

actualmente los ingenieros y geólogos de la División se encuentran estudiando en forma detallada este fenómeno, e invitaron a este consultor a participar en dicho estudio.

El presente informe representa la primera parte de dicha participación, y su propósito es pro-

poner, en base a algunos conceptos fundamentales, un modelo geomecánico para el macizo rocoso pri-mario de la Mina El Teniente.

En lo que sigue de este informe se discuten algunos aspectos básicos de la caracterización

geomecánica de los macizos rocosos, se resume el comportamiento observado en modelos físicos de medios clásticos o formados por bloques y las metodologías usuales para evaluar las propiedades mecá-nicas de los macizos rocoso; y, conforme con todo lo anterior, se propone un modelo geomecánico con-ceptual para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente, que es competente, masivo y con un enreja-do tipo “stockwork” de estructuras selladas.

2. ANTECEDENTES Y FUENTES DE INFORMACION Este trabajo se basa en los siguientes antecedentes y fuentes de información :

(a) Visitas de inspección técnica a distintos sectores de la Mina El Teniente, efectuadas en di-versas oportunidades por este consultor en conjunto con los ingenieros y geólogos de Divi-sión El Teniente.

(b) Reuniones técnicas con los ingenieros de División El Teniente a cargo del estudio de la me-

cánica del caving. (c) Biblioteca técnica de A. Karzulovic & Asoc. Ltda.

3. DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS La gran mayoría de los ingenieros y geólogos concuerda con la definición, algo general, de

que un MACIZO ROCOSO está formado por la ROCA y por las ESTRUCTURAS GEOLOGICAS, estas úl-timas agrupadas habitualmente en “diaclasas” (joints) y “fallas” (faults). Si bien podría argumentarse que esta definición corresponde a uno de los axiomas fundamentales de la ingeniería geotécnica, no siempre existe acuerdo en el significado de los términos “roca” y “estructuras geológicas”.

Algunas definiciones de “roca” :

• Sustancia mineral que por su extensión forma parte importante de la masa terrestre (Dic-cionario de la Lengua Española de la Real Academia Española , 21ª ed., 1992).

• Agregado coherente de uno o más minerales, de ocurrencia natural, que conforma las uni-

dades básicas que constituyen la corteza terrestre y se encuentra típicamente en volúmenes claramente reconocibles y mapeables (Enciclopaedia Britannica (1994)).




• Material duro y compacto de la superficie terrestre (Krynine & Judd (1957)). • Agregado natural de partículas minerales conectadas entre sí por fuerzas cohesivas fuertes

y permanentes (Terzaghi & Peck (1967)). • Cualquier material duro cuya excavación requiere perforación y tronadura u otros métodos

similares de aplicación de fuerza bruta (Sowers (1979)). • Masa sólida y competente que conforma volúmenes, estratos o filones de materia mineral in

situ y de una dureza y textura tales que no puede ser efectivamente soltada o rota mediante equipos de movimiento de tierras (definición de un “ingeniero - abogado”, según Goodman (1990)).

• Un agregado relativamente común de partículas minerales, … de uno o más tipos, … que es

compacto o coherente …. Excepciones al requerimiento de que las rocas están conforma-das por minerales son la obsidiana, una roca volcánica compuesta de materia vítrea; y el carbón, que es una mezcla de compuestos orgánicos (Parker (1988)).

• Un agregado, consolidado o no consolidado, de partículas minerales de uno o más tipos, cu-

yas características mineralógicas y químicas son relativamente constantes. En la acepción más popular se considera que se encuentra en la corteza terrestre y es un material duro, compacto y coherente (Parker (1994)). Algunas definiciones de “estructuras geológicas” :

• Discontinuidades planas y delgadas resultantes del comportamiento frágil de bloques de ro-

ca que sufren desplazamientos relativos a lo largo de un plano. Si la componente del des-plazamiento relativo de los bloque en el plano de la discontinuidad es nulo o muy pequeño para ser apreciado a simple vista, entonces ésta se denomina plano de diaclasamiento (joint); en caso contrario, ésta se denomina falla geológica (fault) (Hobbs et al. (1976)).

• Fractura que atraviesa un volumen de roca. Si no muestra desplazamientos de un lado rela-

tivo al otro se denomina plano de diaclasamiento (joint). Si muestra desplazamientos relati-vos se denomina falla geológica (fault) (Parker (1994)).

• Discontinuidades del macizo rocoso que se encuentran a una escala tal que pueden ser me-

didas físicamente … Pueden ser singenéticas (se forman conjuntamente con la roca, cual el caso de los planos de estratificación), o epigenéticas (ocurren después de la formación de la roca, cual el caso de las fallas)… Pueden ser de distintos tipos : laminaciones, planos de es-tratificación, fisuras, planos de diaclasamiento, fallas, etc.….. En general, su clasificación pa-ra propósitos de ingeniería se basa en sus características morfológicas (Attewell & Farmer (1976)).

Las definiciones antes reseñadas concuerdan en que la “roca” es un material “competente” o

“de buena calidad” y que las “estructuras geológicas” son discontinuidades, básicamente planas, que “cor-tan” o “atraviesan” la roca y se generaron por la falla o ruptura frágil de ésta (por lo que corresponderían a “planos de debilidad”).

Por otra parte, la literatura geotécnica de los últimos 20 años, especialmente en lo relativo a

la calificación y clasificación geotécnica de macizos rocoso, ha introducido algunos conceptos adicionales, cuyo significado no siempre es tan claro como debiera : “roca intacta”, “fracturas”, “frecuencia de fractu-ras”, “calidad geotécnica”, “índice de calidad geotécnica”, etc.




Con el propósito de tratar el problema en forma adecuada y lograr una buena comprensión de lo que aquí se expone, en lo que sigue de este trabajo se aceptan las siguientes definiciones básicas :

PETROFABRICA : El conjunto de todas las características estructurales y texturales

de un material pétreo, sea suelo o roca, que se manifiestan en cada elemento observable del mismo1.

SUELO : Material pétreo homogéneo, generalmente de origen natural,

compuesto por un conjunto de clastos y partículas minerales cu-yo tamaño puede variar desde muy fino (arcilla) a muy grueso (bloques de roca), con distintos tipos de distribuciones granulo-métricas y que puede o no presentar cohesión (i.e. la capacidad de conformar un talud vertical); pero cuya principal característica es que no es duro y puede disgregarse en forma fácil a no muy difícil, por lo que su excavación en general no requiere el uso de explosivos2.

ROCA : Material pétreo homogéneo, generalmente de origen natural,

compuesto por un conjunto de uno o más minerales o por mate-ria vítrea (e.g. obsidiana) o por compuestos orgánicos (e.g. car-bón); que puede presentar diversas texturas, desde microcrista-lina a fanerítica, y que puede o no estar afectado por procesos de alteración y/o mineralización secundaria. Es un material que presenta cohesión (i.e. la capacidad de conformar un talud verti-cal) y cuya característica más común es ser duro y de difícil dis-gregación, por lo que su excavación generalmente requiere el uso de explosivos2.

ROCA INTACTA : Volumen de roca de tamaño “pequeño” pero representativo de la

petrofábrica de la roca considerada, pero sin mostrar irregulari-dades ni defectos tales que influyan su comportamiento mecáni-co “propio”, especialmente en lo que dice relación con la cine-mática de su ruptura3.

Se entiende como volumen “pequeño” el de una probeta típica

de laboratorio, o sea del orden de 10-4 a 5×10-3 m3 (probetas de 42 a 150 mm de diámetro y de 84 a 300 mm de alto)4.

Se entiende por irregularidades la presencia de cuerpos que

puedan afectar el comportamiento mecánico de la probeta (por ejemplo : clastos de tamaño grande, amígdalas, vetillas, estruc-turas selladas, etc.).

Se entiende por defectos a huecos, fracturas u otro tipo de dis-

continuidades en la materia rocosa (por ejemplo : poros, vesícu-las, fracturas, estructuras abiertas, etc.).

1 Modificada de Friedman (1964). 2 Basada en la definición que presenta Karzulovic (1996). 3 La definición que aquí se presenta corresponde a la definición “tradicional” de roca intacta; sin embargo, como se discute más

adelante en este informe, en su forma más general el concepto de roca intacta, y por ende la noción de “volumen de tamaño pequeño”, depende del volumen de material considerado como macizo rocoso.

4 Conforme con la definición tradicional de roca intacta (e.g. ver INBA - LAB - RI - 01 - 97).




Respecto a la definición de “roca intacta” es conveniente notar lo siguiente :

• Incluye rocas alteradas, por lo que un “mismo tipo” de roca

intacta incluye no sólo el mismo tipo de roca (litología), sino que también el mismo tipo y el mismo grado de alteración.

• Está implícitamente asociada al comportamiento mecánico del volumen de roca considerado.

• La roca intacta es homogénea pero, dependiendo de su pe-trofábrica, podrá ser isotrópica o anisotrópica, como se ilustra en el esquema de Figura 3.1. Por lo tanto la probeta tendrá un comportamiento mecánico “propio”; el cual podrá corres-ponder al de un sólido homogéneo isotrópico (caso (a) en Figura 3.1), o bien a un sólido homogéneo anisotrópico (ca-sos (b) y (c) en Figura 3.1).

• El volumen considerado DEBE representar la petrofábrica de la roca considerada, POR LO QUE MUCHAS VECES DE-BERA INCLUIR IRREGULARIDADES (e.g. amígdalas) Y/O DEFECTOS (e.g. vetillas); sin embargo, éstos no deberán afectar el comportamiento mecánico “propio” de la petrofá-brica de la roca considerada. Para aclarar esto se presentan los ejemplos siguientes :

− Una probeta de esquisto micáceo presenta planos de

esquistosidad, por lo que su resistencia en compresión no confinada depende de la orientación relativa entre los planos de esquistosidad y la dirección de la carga; sin embargo, este comportamiento es propio del tipo de roca intacta considerado y la relación experimental resistencia vs. orientación puede considerarse repre-sentativa del comportamiento mecánico de la roca in-tacta.

− Una probeta de 100 mm de diámetro y 200 mm de alto

de brecha ígnea de andesita del Sector Esmeralda de Mina El Teniente presenta un enrejado de vetillas se-lladas tipo "stockwork", por lo que su clasificación co-mo roca intacta dependerá de si estas vetillas tienen efecto sobre la cinemática de la ruptura de la probeta o no. En el caso que se ilustra en Figura 3.2 la ruptura es afectada por las discontinuidades y el resultado ob-tenido no corresponde a la resistencia de la roca intac-ta.

• Supone que, por su tamaño, el volumen de roca conside-

rado no contiene defectos “mayores” que sí están presen-tes en el macizo rocoso (e.g. estructuras geológicas); sin embargo si puede, para poder representar correctamente la petrofábrica, contener irregularidades y/o defectos me-nores o a pequeña escala, como se ilustra en los ejem-plos de Figura 3.3 de página siguiente.

Figura 3.1 : Ejemplos de roca intacta con distinta petrofábrica y distinto com-portamiento mecánico : (a) defectos distribuidos aleatoriamente, con com-portamiento isotrópico (típico de rocas ígneas y metamórficas); (b) defectos planos y paralelos, comportamiento anisotrópico (típico de rocas sedimen-tarias y metamórficas); y, (c) defectos “lineales” , comportamiento anisotrópi-co (típico de rocas metamórficas) (to-mada de Wittke (1990)).

( a ) ( b ) Figura 3.2 : Probeta de brecha ígnea con un arreglo de vetillas selladas (a) que definen la ci-nemática de la ruptura de la probeta (b), por lo que la resistencia medida NO corresponde a la de la roca intacta.




Figura 3.3 : Ejemplos de distintos tipos de roca intacta

(b) Diorita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(a) Dacita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(d) Brecha Braden, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(c) Andesita primaria, Mina El Teniente, VI Región, Chile

(f) Granodiorita Este, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

(e) Granodiorita Fortuna, Mina Chuquicamata, II Región, Chile

(h) Pórfido Este con alteración clorítica, Mina Chuquicamata, II Re-

gión, Chile

(g) Pórfido Este con alteración potásica, Mina Chuquicamata, II Re-

gión, Chile

(j) Granito rosado, III Región, Chile

(i) Pórfido Oeste, Mina Chuquicamata, II Región, Chile




ESTRUCTURAS GEOLOGICAS : Discontinuidades planas5 que atraviesan la roca y cuya génesis está asociada a uno o más procesos geológicos. Pueden ser de distintos tipos : laminaciones, planos de estratificación, fisuras, diaclasas, fallas, etc. Pueden estar abiertas o selladas, y pre-sentar diversas características morfológicas; pero su caracterís-tica más común es que, en la gran mayoría de los casos, consti-tuyen planos de debilidad o menor resistencia que la roca. Usualmente, en el macizo rocoso aparecen agrupadas en fami-lias o sistemas, algunos de los cuales son muy conspicuos o francamente predominantes mientras que otros son secundarios o muy poco conspicuos. Su extensión o persistencia puede va-riar mucho y, dependiendo del volumen que interese, algunas podrán tratarse en forma estadística (por ejemplo las diaclasas), mientras que otras deberán considerarse individualmente (por ejemplo una falla geológica mayor). En esta definición se inclu-yen también las grietas y fracturas inducidas por efecto de la ac-tividad del hombre. En Figura 3.4 de página siguiente se mues-tran algunos ejemplos de estructuras geológicas cuyas persis-tencias varían de centímetros a kilómetros.

DOMINIO ESTRUCTURAL : Se denota DEST y corresponde a un sector o dominio donde las

estructuras presentes en el macizo rocoso presentan un único patrón, bien definido. En otras palabras, en un dominio estructu-ral existen ciertos sistemas, principales y/o secundarios, de es-tructuras, todos y cada uno de ellos con características bien de-finidas en términos de valores modales y desviaciones respecto a los mismos. Las características más utilizadas en la práctica de la ingeniería geotécnica para definir todos y cada uno de los sistemas de estructuras de un dominio estructural son el manteo y la dirección de manteo; y, aunque se usan menos, también son útiles el espaciamiento, la persistencia, el tipo de relleno y otras características morfológicas (e.g. extensión zona de in-fluencia) y/o geológicas (e.g. tipo de estructura geológica) (e.g. ver Brown (1981)).

UNIDAD LITOLOGICA : Corresponde a un volumen importante de material, que se ubica

dentro de un mismo dominio estructural y se caracteriza por presentar un mismo tipo de roca, MTR, un mismo tipo de altera-ción, MTA, y un mismo grado de alteración, MGA. Es el macro equivalente al concepto de roca intacta, se denota ULTG y pue-de expresarse como6 :

ULTG DEST MTR MTA MGA= ! ! ! (3.1)

MACIZO ROCOSO : Volumen importante de roca que se encuentra intersectado, to-

tal y/o parcialmente, por estructuras geológicas; las cuales defi-nen numerosos “sub-volúmenes” o “bloques” de roca que, en

5 En lo que sigue de este trabajo se supone que las estructuras geológicas son entes planos; sin embargo, esta es una aproxi-

mación ya que en numerosos casos las estructuras presentan algún grado de curvatura, que puede ser notable en el caso de macizos rocoso que han sufrido plegamientos.

6 Esta definición supone que la unidad litológica define corresponde a un dominio convexo, o sea tal que cualquier línea definida

por 2 puntos dentro del mismo queda completamente contenida por éste. Si bien esto corresponde a una simplificación y no incluye a unidades litológicas no convexas o cóncavas, se presenta aquí porque facilita la compresión del “espíritu” detrás del concepto de unidad litológica.




10-1100101102103104

PERSISTENCIA DE LA ESTRUCTURA GEOLOGICA, P ( m )

VETILLAS SELLADASEN ANDESITA PRIMARIA,

MINA EL TENIENTE,VI REGION. CHILE

10-1 m < P < 100 m

ZONA DE CIZALLE( BLOCKY AND SEAMY ),EN METASEDIMENTOS,

PARED ESTE,MINA CHUQUICAMATA,

II REGION, CHILE

103 < P < 104 m

FALLAS REGIONALES

FALLAS GEOLOGICAS

DISCONTINUIDADES MENORES

ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS MAYORESEN CHIMENEA RIOLITICA,

CRATER DE SUBSIDENCIA,MINA RIO BLANCO, V REGION, CHILE

102 m < P < 103 m

ESTRUCTURAS QUE DELIMITANEL MOLDE DEJADO POR LA

CAIDA DE UN BLOQUE DE ROCA,MINA SUBTERRANEA,

CANADA

100 m < P < 101 m

ESTRUCTURAS MAYORES

ESTRUCTURA MAYOR QUE DEFINEUN PLANO DE DESLIZAMIENTO,

MINA A RAJO ABIERTO,II REGION, CHILE

101 m < P < 102 m

ESTRUCTURA MAYOR QUEDELIMITA EL DAÑO CAUSADOPOR EL ESTALLIDO DE ROCADEL 08.04.97 EN LA CAJA Hw ,C5, UCL, SECTOR ESMERALDA,

MINA EL TENIENTE,VI REGION, CHILE

101 m < P < 102 m

FALLA GEOLOGICA,NIVEL TTE 5,

MINA EL TENIENTE,VI REGION, CHILE

103 m < P < 104 m

FALLA OESTE( LIMITE OCCIDENTAL ),MINA CHUQUICAMATA,

II REGION, CHILE

P > 104 m

ESTRUCTURAS MAYORES QUE DELIMITANEL BLOQUE QUE CAYO A CAUSA DEL

ESTALLIDO DE ROCA DEL 18.01.90,XC - Z 28 / 29, NIVEL DE TRASPASO Y

EXTRACCION, TTE SUB 6,MINA EL TENIENTE, VI REGION, CHILE

102 m < P < 103 m

Figura 3.4 : Ejemplos de estructuras geológicas con persistencias en el rango de centímetros a kilómetros.




conjunto, conforman el macizo rocoso7. Conforme con esto, puede señalarse que el macizo rocoso está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corres-ponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Por lo tanto, parece evidente que el comportamiento mecánico del ma-cizo rocoso dependerá de los siguientes factores :

• Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen8.

• Propiedades de las estructuras del macizo rocoso9.

• Interacción del conjunto de bloques10.

Todo esto se traduce en que el macizo rocoso corresponde a una unidad litológica con bloques de una “misma” geometría y dentro cuyos volúmenes quedan dentro de un “rango caracterís-tico”; lo que, para efectos prácticos, equivale a señalar que el macizo rocoso, MR, corresponde al sector de una unidad litoló-gica que presenta un mismo grado de fracturamiento, MGF (és-te se define más adelante). Conforme con esto11 : MR ULTG MGF = ! (3.2) En Figura 3.5 de página siguiente se muestran algunos ejem-plos de macizo rocoso.

MACIZO ROCOSO SECUNDARIO : Macizo rocoso que ha sufrido el efecto de la percolación de las

aguas subterráneas, y se caracteriza por presentar un porcenta-je importante de estructuras geológicas abiertas y/o con rellenos blandos a muy blandos (limonita, yeso, arcilla, etc.)12.

MACIZO ROCOSO PRIMARIO : Macizo rocoso que no ha sufrido el efecto de la percolación de

las aguas subterráneas, y se caracteriza por presentar un por-centaje nulo a muy bajo de estructuras geológicas abiertas y/o con rellenos blandos. Todas o casi todas sus estructuras están selladas y en general presentan rellenos relativamente compe-tentes (anhidrita, turmalina, pirita, etc.); aunque también pueden presentar rellenos débiles (clorita, sericita, molibdenita, etc.)12.

7 Como se discute más adelante en este informe, el volumen “importante” que define el macizo rocoso puede variar, dependien-

do del problema considerado. 8 Estas serían similares a las de la roca intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca in-

tacta, para los bloques de mayor tamaño. 9 Mucho menos competentes que las de la roca intacta, y especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la cinemá-

tica de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso. 10 Esta básicamente depende del grado de “trabazón” que presenta el arreglo de bloques, y queda definida por la geometría del

conjunto de bloques y la condición de contacto entre bloques adyacentes. 11 Esta definición supone que el macizo rocoso corresponde a un dominio convexo. Si bien esto es una simplificación y no inclu-

ye macizos rocosos no convexas o cóncavos, se presenta aquí porque facilita la compresión del “espíritu” detrás del concepto de macizo rocoso.

12 Esta definición es puramente geomecánica y no considera explícitamente los aspectos relativos a la mineralización del macizo

rocoso, que son los usualmente utilizados en geología para diferenciar roca primaria de roca secundaria.




Figura 3.5 : Algunos ejemplos de macizo rocoso.

(a) Ejemplo de macizo rocoso masivo y roca de mediana

competencia : Chimenea riolítica en la pared del cráter de subsidencia de la Mina Río Blanco (el farellón que se muestra tiene un altura de unos 200 m). La resis-tencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 75 MPa y el macizo rocoso presenta menos de 2 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de Divi-sión Andina Sr. Michel Galeb).

(b) Ejemplo de macizo rocoso fracturado y roca de mediana a poca

competencia : granodiorita Elena con alteración propilítica en el Sec-tor SE de Mina Chuquicamata (el banco que se muestra tiene un al-tura de 26 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca intacta es de unos 50 MPa y el macizo rocoso presenta 15 a 23 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de División Chuquicamata Sr. Ricardo Torres).

(c) Ejemplo de macizo rocoso masivo y roca competente :

andesita Fw del Sector Esmeralda, Mina El Teniente (la frente que se muestra tiene un altura de 3 m). La resistencia en compresión no confinada de la roca in-tacta es de unos 105 MPa y el macizo rocoso presenta menos de 3 fract./m (aunque muestra un arreglo tipo stockwork de vetillas selladas).

(d) Ejemplo de macizo rocoso fracturado y roca competente : brecha

Monolito en el Sector SW de Mina Sur Sur (la altura de banco que se muestra es de unos 12 m). La resistencia en compresión no confi-nada de la roca intacta es de unos 130 MPa y el macizo rocoso pre-senta 8 a 14 fract./m (fotografía cortesía del geólogo de División An-dina Sr. Michel Galeb).




GEOFABRICA : Es el equivalente, para el macizo rocoso, de la petrofábrica de la roca intacta. Define el comportamiento mecánico e hidráulico del macizo rocoso, y queda definida por : las características geométricas del arreglo de bloques, las características morfoló-gicas de las estructuras, las condiciones de contacto entre blo-ques y las propiedades físicas de la roca que constituye los blo-ques. El concepto de geofábrica es tremendamente importante en geomecánica13 y no necesariamente corresponde a un inva-riante geomecánico; ya que, como se ilustra en los ejemplos de Figuras 3.6 y 3.7 de página siguiente, la petrofábrica y la geofá-brica de un material pétreo pueden cambiar, en la medida que éste responde a las solicitaciones que actúan sobre él.

INVARIANTE GEOMECANICO : Característica o parámetro geomecánico que no cambia, para el

intervalo de respuesta considerado, en la medida que el macizo rocoso responde a las solicitaciones sobre él actuantes. Hay muy pocos invariantes geomecánicos. Ejemplos : el peso propio del macizo rocoso (para efectos prácticos no cambia mientras el macizo rocoso no se disgregue), la resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (no cambia a menos que el macizo rocoso sufra un nuevo proceso de altera-ción y/o mineralización).

VARIANTE GEOMECANICO : Característica o parámetro geomecánico que cambia, para el in-

tervalo de respuesta considerado, en la medida que el macizo rocoso responde a las solicitaciones sobre él actuantes. Casi todos los parámetros geomecánicos son variantes. Ejem-plos : la frecuencia de fracturas, los índices de calidad geo-técnica, la deformabilidad del macizo rocoso, etc.

CALIDAD GEOTECNICA : Calificación cualitativa de la calidad de una roca, de estructuras

geológicas y/o de un macizo rocoso, en relación a sus potencia-les usos en ingeniería civil y/o de minas.

CLASIFICACION GEOTECNICA : Clasificación de la roca y/o de las estructuras y/o del macizo ro-

coso según su calidad geotécnica, de acuerdo a cierta escala de clasificación que puede basarse en uno o más parámetros geo-técnicos. En Tabla 3.1 de página subsiguiente se presentan al-gunos de los métodos de clasificación geotécnica14.

INDICE DE CALIDAD GEOTECNICA : Parámetro numérico que describe, en forma cuantitativa, la cali-

ficación de la calidad geotécnica. Se usan generalmente para calificar el macizo rocoso y los más usados son : la designación de la calidad del macizo rocoso, RQD (rock quality designation, Deere et al. (1967)); el rating del macizo rocoso, RMR (rock mass rating, Bieniawski (1973, 76, 79)); el rating “minero” del

13 Gerrard (1977) presenta una excelente discusión al respecto. 14 Esta tabla no pretende reseñar todos los métodos de clasificación geotécnica existentes (probablemente del orden de varias

decenas), sino que ilustrar el hecho de que no existe un método único o que haya demostrado, en la práctica, ser siempre me-jor que los otros. Además, también pretende mostrar que muchos métodos, algunos incluso bastante utilizados, no son sino derivaciones, con alguna(s) modificación(es), de otro método desarrollado con anterioridad.




DEF

OR

MA

CIO

NTIEMPO

Figura 3.6 : Variación de la geofábrica de una arcilla remoldeada durante la evolu-ción de un ensayo de deformación a carga constante (creep tests) (to-mada de Vyalov et al. (1973)).

CA

RG

A

DEFORMACION

Figura 3.7 : Diagramas de roseta que muestran la variación de la frecuencia y orientación de las microfracturas en una probeta de arenisca, durante la evolución de un ensayo de compresión triaxial a deformación contro-lada (tomada de Hoshino & Koide (1970)).




Tabla 3.1

ALGUNOS SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE ROCAS, ESTRUCTURAS Y MACIZOS ROCOSOS

(con apoyo en los trabajos de Goodman (1976) , Karzulovic & Karzulovic (1982) y Bieniawski (1989))

TIPO DE SISTEMA DE CLASIFICACION PROPOSITO CLASIFICACION Principal Derivados

- Coates (1964) Resistencia de la roca, uso general • Coates & Parsons (1966) - Deere & Miller (1966) Resistencia y deformabilidad de la roca - Underwood (1967) Clasificación de esquistos

ROCA - Bernaix (1969) Grado de fisuración de la roca INTACTA - Bergh-Christensen & Selmer-Olsen (1970) Tronaduras

- Selmer-Olsen & Blindheim (1970) Perforación - Tourenq & Denis (1970) Grado de fisuración de la roca - Tourenq et al. (1971) - Obert & Rich (1971) Resistencia de la roca, uso general - ISRM (1981) - Goodman (1989) Textura y comportamiento, uso general - Karzulovic (1996) Resistencia relativa en tracción - Pettijohn (1957) Estructuras en rocas sedimentarias - US Army Corps of Engineers (1968) Clasificación de espejos de falla, fundaciones - Fookes & Denness (1969) Clasificación de fisuras según su extensión areal - Cording & Deere (1972) Resistencia, estabilidad de bloques en cavernas

ESTRUCTURAS - Brekke & Howard (1973) Material de relleno, obras subterráneas - Barton (1974) Estructuras con relleno, uso general - Jawanski (1977) Criterio genético, uso general - ISRM (1978) Criterio geotécnico, uso general - Karzulovic (1988) Resistencia y deformabilidad, estabilidad de bloques - Pusch (1995) Efectos de escala, uso general - Terzaghi (1946) Túneles, fortificación arcos metálicos - Lauffer (1958) Túneles, periodo de puente - John (1962) Uso general - Pacher et al. (1964) Túneles - Obert & Duvall (1967) Minería subterránea - Deere et al. (1967) ( RQD ) Uso general - Ege (1968) Fortificación de túneles - Kruse et al. (1969) Fortificación de túneles - Onodera (1970) Uso general - Iida et al. (1970) Fundaciones de presas - Müller & Hoffman (1970) Uso general - Franklin et al. (1971) Uso general y excavabilidad

MACIZO - Goodman & Duncan (1971) Taludes y cortes en roca ROCOSO - Wickham et al. (1972, 74) ( RSR ) Túneles, fortificación con arcos metálicos

- Bieniawski (1973, 76, 79) ( RMR ) Fortificación de túneles, propiedades geomecánicas • Weaver (1975) Excavabilidad • Laubscher (1977, 90, 93) ( MRMR ) Minería en roca dura (métodos por hundimiento) - Haines & Terbrugge (1991) Estabilidad de taludes • Olivier (1979) Degradabilidad por intemperización • Ghose & Raju (1981) Minería del carbón, fortificación • Kendorski et al. (1983) Minería en roca dura (block caving), fortificación • Unal (1983) Minería del carbón, fortificación • Romana (1985) Estabilidad de taludes • Smith (1986) Escaraficabilidad • Robertson (1988) Estabilidad de taludes en roca débil - Barton et al. (1974) ( Q ) Obras subterráneas, fortificación • Kirsten (1982) Excavabilidad - Hoek et al. (1995) ( GSI ) Propiedades mecánicas del macizo rocoso




macizo rocoso, MRMR (mining rock mass rating, Laubscher (1977, 90, 93)); y el índice de calidad, Q (quality index, Barton et al. (1974)). Actualmente se está comenzando a usar, cada vez más, el índice de resistencia geológica del macizo rocoso, GSI (geological strength index, Hoek et al. (1995)).

INDICE DE CALIDAD GEOTECNICA : Parámetro numérico que describe, en forma cuantitativa, la cali-

ficación de la calidad geotécnica. Se usan generalmente para calificar el macizo rocoso y los más usados son : la designación de la calidad del macizo rocoso, RQD (rock quality designation, Deere et al. (1967)); el rating del macizo rocoso, RMR (rock mass rating, Bieniawski (1973, 76, 79)); el rating minero del macizo rocoso, MRMR (mining rock mass rating, Laubscher (1977, 90, 93)); y el índice de calidad, Q (quality index, Barton et al. (1974)). Actualmente se está comenzando a usar, cada vez más, el índice de resistencia geológica del macizo rocoso, GSI (geological strength index, Hoek et al. (1995)).

Al utilizar un índice de calidad geotécnica, especialmente con fi-nes comparativos, se debe tener especial cuidado de la fecha de la escala que se usa, ya que en la mayoría de los casos és-tas han sido modificadas, una o más veces, por sus autores. Además, debe tenerse siempre presente que dada la variabili-dad propia de los parámetros considerados para definir los índi-ces de calidad geotécnica, así como el grado de subjetividad inherente a su evaluación; no es posible definir la calidad geo-técnica de un macizo rocoso en términos de un único valor del índice geotécnico, sino que la definición debe hacerse en térmi-nos de un rango para este índice, independientemente del sis-tema que se utilice para calificar el macizo rocoso15.

FRECUENCIA LINEAL DE : Parámetro que representa la frecuencia por metro de longitud, FRACTURAS en una dirección dada, de todas aquellas estructuras que “for-

man bloques potencialmente removibles”; vale decir, de todas aquellas estructuras abiertas y/o con rellenos débiles que pre-sentan una persistencia observada mayor que 2 m16 y que al unirse con otras estructuras definen, sobre la superficie de ma-peo, polígonos cerrados. Resulta evidente que la magnitud de este parámetro depende de la dirección en que se mida, por lo que, si no se indica explícitamente la dirección de referencia17, se considerará que el valor indicado corresponde al valor “típico” del macizo rocoso. Por su definición, este parámetro SI puede presentar variaciones dentro de un mismo dominio estructural, pero NO en un mismo tipo de macizo rocoso.

15 En los trabajos de Hoek & Brown (1997) y de Hoek et al. (1995) se encuentran discusiones muy interesantes respecto a este

hecho; y Hoek (1997) describe los efectos que el mismo produce en la evaluación de las propiedades mecánicas del macizo rocoso, en el desarrollo de análisis geotécnicos y en la evaluación de los resultados obtenidos.

16 Esta definición de persistencia mínima es indudablemente arbitraria pero presenta innegables ventajas, ya que los bloques de-

finidos por estructuras de menor persistencia generalmente no resultan de importancia práctica. 17 Karzulovic & Goodman (1985) y Karzulovic (1997) presentan interesantes discusiones al respecto.




Por lo tanto, resulta útil para zonificar geotécnicamente una misma unidad litológica en macizos rocosos con distinto grado de fracturamiento y, por ende, distintas propiedades mecánicas. Este parámetro se denota FF y sus unidades son fract./m18. Este parámetro se utiliza en la práctica para zonificar las distin-tas unidades litológicas según su grado de fracturamiento y, en este trabajo, se acepta básicamente la escala de calificación uti-lizada por División Andina y que se resume en Tabla 3.2.

Tabla 3.2 CALIFICACION DEL MACIZO ROCOSO SEGUN

SU GRADO DE FRACTURAMIENTO (basada en la escala utilizada por División Andina)

Calificación del Macizo Rocoso

según su Grado de Fracturamiento FF

( fract./m ) Muy Masivo 0 a 2

Masivo 3 a 7 Fracturado 8 a 14

Muy Fracturado 15 a 23 Extremadamente Fracturado 24 o más

FRECUENCIA LINEAL PROPIA DE : Corresponde a la frecuencia por metro de longitud, en una direc- UN SISTEMA ESTRUCTURAL ción dada, de las estructuras de un mismo sistema estructural y,

para el sistema “j” se denota λ j. También se denomina frecuen-cia principal para el sistema “j”. Si la dirección de medida coin-cide con la dirección de manteo del sistema, entonces el valor esperado de λ j corresponde al inverso del valor esperado de sj.

ESPACIAMIENTO PROPIO DE UN : Corresponde al valor modal del espaciamiento entre estructuras SISTEMA ESTRUCTURAL de un mismo sistema estructural, medido en la dirección de la

normal a las estructuras de dicho sistema. Se denota sj y no varía dentro de un mismo dominio estructural.

NUMERO VOLUMETRICO : Parámetro que representa la cantidad esperada de estructuras DE ESTRUCTURAS por unidad de volumen en un mismo dominio estructural, y que

se define como la sumatoria de los inversos de los espaciamien-tos de los sistemas estructurales presentes en el dominio consi-derado. Se denota Jv y, conforme con lo anterior, para un do-minio estructural con n sistemas o familias de estructuras queda definido por :

J 1sV

jj 1

n=

=∑

(3.3)

18 Resulta interesante señalar que la evolución del método de calificación y clasificación geotécnica de macizos rocosos propues-

to por Laubscher (1976, 90, 93) sugiere que la frecuencia lineal de fracturas, FF, sería “equivalente” al “conjunto” del índice RQD y el espaciamiento entre las discontinuidades, s.




Este parámetro es invariante dentro de un mismo dominio es-tructural; por lo tanto, no resulta útil para zonificaciones geotéc-nicas dentro de un mismo dominio estructural.

Finalmente, es interesante reseñar que Barton et al. (1984) proponen la correlación entre el tamaño “típico” de los bloques que conforman el macizo rocoso y el parámetro JV que se re-sume en Tabla 3.3.

Tabla 3.3 RELACION ENTRE EL TAMAÑO “TIPICO” DE LOS BLOQUES

QUE CONFORMAN EL MACIZO ROCOSO Y JV

JV ( estructuras/m3 ) Tamaño “Típico” de los Bloques < 1 MUY GRANDE

1 a 3 GRANDE 3 a 10 MEDIANO 10 a 30 PEQUEÑO 30 a 60 MUY PEQUEÑO

> 60 ROCA MOLIDA INDICE RQD : El índice RQD o designación de la calidad de la roca (rock quali-

ty designation), se define como la razón entre la sumatoria de los trozos de testigo con una longitud axial mayor o igual que 10 cm y el largo total perforado, como se ilustra en el ejemplo de Figura 3.8 (tomada de Deere (1989)).

La ISRM19 recomienda que las eva-luaciones del índice RQD se hagan con testigos del tamaño NQ o NX (54,7 mm de diámetro)20, obtenidos con muestreador de doble tubo. También se recomienda que la ca-rrera del sondaje utilizada para eva-luar el índice RQD sea la típica y ojalá no exceda 1,5 m. Al evaluar el RQD no se deben consideras las fracturas frescas, inducidas por la perforación, ni tampoco sectores de roca muy me-teorizada y/o arcillizada, aunque és-tos entreguen testigos de más de 10 cm.

19 International Society for Rock Mechanics. 20 Sin perjuicio del hecho que en la práctica pueden usarse los tamaños en el rango de BQ a PQ (i.e. con diámetros de 36,5 a 85

mm), si el sondaje se perfora cuidadosamente y la interpretación es cuidadosa en detectar fracturas frescas, producidas por la perforación.

L = 43 cm

L = 20 cm

L = 38 cm

L = 17 cm

L = 0NO HAY TROZOS CON

CENTRO > 10 cm

FRACTURA FRESCADEBIDA A LAPERFORACIONDEL SONDAJE

CO

RR

IDA

TO

TAL

DEL

SO

ND

AJE

= 2

00 c

m

TOTAL CORRIDA DEL SONDAJE

RQD = trozos > 10 cm ( 4”) Corrida total del sondaje

RQD = 38 + 17 + 20 + 43 X 100 % 200

RQD = 59 % ( REGULAR )

RQD CALIDAD GEOTECNICA DEL MACIZO ROCOSO

< 25 MUY MALA

25 a 50 MALA

50 a 75 REGULAR

75 a 90 BUENA

90 a 100 EXCELENTE

L = 0SIN RECUPERACION

DE TESTIGO

ΣΣΣΣ

Figura 3.8 : Ejemplo ilustrativo de la forma de cálculo del índice RQD (tomada de Deere (1989) )




Conviene señalar que existen relaciones entre el índice RQD y otros parámetros geotécnicos. De hecho, Deere et al. (1967) presentan los datos que se muestran en Figura 3.9 y a los cuales se les ha “ajustado una banda” para correlacionar los parámetros RQD y FF. Una relación empírica entre la magnitud del ín-dice RQD y el parámetro JV, es la siguiente : RQD 115 3,3 JV = − × (3.4) con el límite RQD = 100 para valores de JV me-nores que 4,5. Por otra parte, Priest & Hudson (1976), en base al análisis de numerosas medi-ciones en rocas sedimentarias proponen la si-guiente correlación entre RQD y FF : RQD 100 (1 0,1 FF) exp 0,1 FF= × + × × − × (3.5)

Finalmente, conviene indicar que en la práctica el índice RQD es relativamente insensible a variaciones en FF si éste parámetro es menor o igual que 3 fract./m.

BLOQUE DE ROCA : Volumen de roca delimitado por estructuras y/o planos o caras

libres (e.g. cajas, piso y techo de una excavación subterránea); cuya geometría queda definida por la orientación espacial de los planos que lo definen y cuyo tamaño queda definido, además de por esta orientación, por el espaciamiento de los sistemas a los cuales pertenecen las estructuras que definen el bloque. En ba-se a consideraciones cinemáticas, pueden definirse los 6 tipos de bloque que se ilustran en Figura 3.10 (Goodman (1989)) :

• Bloques Tipo VI, caracterizados por estar defini-

dos únicamente por estructuras y no presentar ninguna cara libre. Se denominan “bloques de estructuras” (joint blocks).

• Bloques Tipo V, caracterizados por presentar al menos una cara libre, pero ser “infinitos hacia ce-rro adentro”; por lo que no pueden desplazarse a menos que se formen fracturas que lo subdivi-dan. Se denominan “bloques infinitos” (infinite blocks).

• Bloques Tipo IV, caracterizados por presentar al

menos una cara libre, pero tener una forma tal que están trabados por otros bloques y no pue-den desplazarse a menos que los otros se des-placen primero. Se denominan “bloques traba-dos” (tapered blocks).

0 5 10 15 20

FRECUENCIA DE FRACTURAS ( fract./m )

0

20

40

60

80

100

RQD

( %

)

CLIMAX STOCK, CAJA DE TUNEL

CLIMAX STOCK, CAJA DE TUNEL

CLIMAX STOCK, TESTIGOS NX

PRESA DWORSHAK, TESTIGOS NX

BASALTO JOHN DAY, TESTIGOS NX

LIMONITA HACKENSACK, TESTIGOS NX

Figura 3.9 : Variación del índice RQD con el grado de fractu-ramiento FF (modificada de Deere et al. (1967)).

I

III

II

III

IVV

VI

Figura 3.10 : Tipos de bloques que pueden encontrarse en el macizo rocoso, en la vecindad de una excavación subterránea (modificada de Goodman (1989)).




• Bloques Tipo III, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, pero ser estables en la condición estudiada independientemente de las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar este tipo de bloque en un bloque potencialmente ines-table). Este tipo de bloque se denominará “bloque estable”.

• Bloques Tipo II, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al

menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, pero ser francamente estables en la condición estudiada si las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras no son notoriamente menores que los valores “típicos” (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar este tipo de bloque en un bloque potencialmente inestable). Este tipo de bloque se denominará “bloque hipoestable”.

• Bloques Tipo I, caracterizados por ser de tamaño finito, tener al

menos una cara libre y la posibilidad cinemática de desplazarse, y ser potencialmente inestables en la condición estudiada. Si las propiedades resistentes de las estructuras que definen sus caras son suficientemente altas para asegurar la estabilidad del bloque, éste se denominará “potencial bloque crítico”; en caso contrario, se denominará “bloque crítico” (conviene notar que un cambio en las solicitaciones puede transformar un “potencial bloque crítico” en “bloque crítico” y viceversa).

Los bloques tipo VI, V y IV no tienen po-sibilidad cinemática de desplazarse, a menos que se produzca previamente el desplazamiento de otros bloques y/o la ocurrencia de fracturas que subdividan algunas bloques y/o la falla, al menos en algunos sectores, del macizo rocoso. Por lo tanto, estos bloques son NO REMOVI-BLES. Por otra parte, los bloques tipo III, II y I si tienen posibilidad cinemática de despla-zarse, por lo que se denominarán BLO-QUES REMOVIBLES. Todo lo anterior se resume en el esquema de Figura 3.11.

PIRAMIDE DEL BLOQUE : La pirámide del bloque (block pyramid), BP, define la geometría

de un bloque dado; o sea, describe los planos que delimitan el bloque y la forma en que éstos lo hacen (considerando si la normal de cada plano se dirige hacia adentro o hacia afuera del bloque). Dado que un bloque puede tener o no caras libres, en

IV

III

II

TIPOS DE BLOQUES

Bloques deTamaño Infinito

Bloques deTamaño Finito

V VI

I

Bloques No Removibles Bloques Removibles

Bloques concaras libres

Potencialesbloquescríticos

BloquescríticosBloque de

Estructuras

Figura 3.11 : Posibles tipos de bloques en un macizo rocoso.




general la pirámide del bloque queda definida por la intersección de la pirámide de las estructuras, JP, y la pirámide del espacio definido por los planos libres, EP, de dicho bloque21 : BP JP EP = ! (3.6)

PIRAMIDE DE ESTRUCTURAS : La pirámide de las estructuras (joint pyramid), JP, queda defini-

da por la intersección de los semiespacios que definen las es-tructuras que delimitan el bloque considerado21. La JP de un bloque define la geometría “in situ” de éste (i.e. sin considerar los “cortes” debidos a la(s) cara(s) libre(s) de dicho bloque). Como se ilustra en el ejemplo de Figura 3.12 un bloque de un JP dado, o sea con una misma geometría “in situ”, puede variar su forma en distintas maneras, dependiendo de la forma en que lo “corte” un plano libre (e.g. la superficie de una excavación subterránea).

PIRAMIDE DEL ESPACIO : La pirámide del espacio de las caras libres o pirámide de la ex- DE LAS CARAS LIBRES cavación (excavation pyramid), EP, queda definida por la inter-

sección de los semiespacios que definen los planos de las caras libres del bloque considerado21. La EP de un bloque define la

21 Esta definición supone que el bloque es convexo, pero facilita la comprensión del concepto. Goodman & Shi (1985) presentan

el caso de bloques no convexos o cóncavos, y el mismo se tratará en el Segundo Informe de este trabajo, relativo a los tipos y modos de desplazamiento de los bloques que conforman el macizo rocoso (actualmente en preparación).

Estru

ctur

a 1 Estructura 2

JP 10

CAVIDAD SUBTERRANEA

CAVIDAD SUBTERRANEA

CAVIDAD SUBTERRANEAn2^

n1^

Figura 3.12 : Ejemplos que muestran como un bloque con una mis-ma geometría “in situ” (i.e. definido por un cierto JP), puede variar su forma dependiendo de como es “cortado” por un o más “planos libres” definidos por una cavidad subterránea




geometría “visible” de éste (i.e. aquel(los) plano(s) donde el blo-que aflora).

DESCRIPCION TOPOLOGICA : Para describir topológicamente un bloque es preciso considerar DE UN BLOQUE si éste se ubica “arriba” o “debajo” de las estructuras que lo de-

finen. Para este propósito se considera que el bloque se ubica “arriba” de la “j-ésima” estructura si la normal a esta penetra de-ntro del bloque, y “debajo” si la normal sale desde el bloque hacia afuera. Luego, si se numeran en forma ordenada las dis-tintas estructuras presentes en el macizo rocoso (y se mantiene el mismo orden durante todo el proceso de análisis), es posible definir en forma inequívoca las distintas JP que existen en el macizo rocoso asignando para cada estructura el dígito 0 si el bloque se ubica “arriba” de la estructura y el dígito 1 si el bloque se ubica “debajo” de ésta.

Así, en el ejemplo de Figura 3.13 se tienen 3 sistemas de estructuras, ortogonales entre sí, que definen 8 posibles JP :

JP Posición c/r Estructuras 1 / 2 /3 000 Arriba / Arriba / Arriba 001 Arriba / Arriba / Debajo 010 Arriba / Debajo / Arriba 011 Arriba / Debajo / Debajo 100 Debajo / Arriba / Arriba 101 Debajo / Arriba / Debajo 110 Debajo / Debajo / Arriba 111 Debajo / Debajo / Debajo

Este ejemplo también ilustra el hecho que los JP opuestos por el vértice son “primos” o tienen sus respectivos dígito cambiados : 000 y 111, 001 y 110, 011 y 100, 010 y 101.

Todo lo anterior sigue siendo válido si se incluyen también los planos libres, con lo que resulta la definición topológica inequí-voca de los bloques presentes en el macizo rocoso. Esto se ilustra en el ejemplo bidimensional de Figura 3.14 en página si-guiente, la cual muestra los JP y los BP. Finalmente, es muy importante señalar que al usar proyecciones estereográficas con punto focal inferior (o sea proyectando el hemisferio superior de la esfera), la región dentro del gran círcu-lo que representa a una estructura dada corresponde al semies-pacio que se ubica “arriba” de dicha estructura, y la región que se ubica fuera del círculo corresponde al semiespacio que se ubica “debajo” de dicha estructura (e.g. ver Goodman & Shi (1985)).

ESTRUCTURA 2

ESTRUCTURA 3

010

011

000

001

100

101

110ESTRUCTURA 1

111

Figura 3.13 : Ejemplo de la definición topológica de los JP que producen en el macizo rocoso 3 sistemas de estructuras ortogonales entre sí. En negrita se muestran los JP de los bloques que se ubican arriba de la estructura 1, y en plomo los JP de los bloques que se ubican debajo de esta estructura (la normal a cada estructura se muestra con una flecha).




4. CONCEPTO Y ESCALAS DEL MACIZO ROCOSO Como se definió en la sección anterior, el macizo rocoso es un volumen “importante” de roca

que se encuentra intersectado, total y/o parcialmente, por estructuras geológicas; las cuales definen nu-merosos “bloques” de roca que, en conjunto, conforman el macizo rocoso. Luego, puede señalarse que el macizo rocoso está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corres-ponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Por lo tanto, parece evidente que el comportamiento mecánico del macizo rocoso dependerá de los siguientes factores :

• Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen (éstas serían similares a las de la roca

intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca intacta, para los bloques de mayor tamaño).

• Propiedades de las estructuras presentes en el macizo rocoso (de mucho menor competencia

que la roca intacta), las que son especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la ci-nemática de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

• Interacción del conjunto de bloques, la cual básicamente depende de su grado de “trabazón” y

queda definida por la geometría del conjunto de bloques y la condición de contacto entre bloques adyacentes.

��

n1

n3

^

^

SEMIESPACIO“ARRIBA” DE LAESTRUCTURA 2

��

SEMIESPACIO“ARRIBA” DE LAESTRUCTURA 1

SEMIESPACIO“ARRIBA” DE

AMBASESTRUCTURAS

EXCAVACION SUBTERRANEA( ESPACIO LIBRE )

��

SEMIESPACIO “ABAJO”DE AMBAS ESTRUCTURAS

JP 11

BP 11 - 0

n2^

Figura 3.14 : Ejemplo bidimensional que ilustra la definición topológica de las JP y de los blo-ques presentes en el macizo rocoso.




De esto resulta que el macizo rocoso puede presentar distintos ti-pos según sea el vo-lumen de material que se considere, como se ilustra en el esquema de Figura 4.1; el cual muestra varios ejem-plos de tipos de maci-zo rocoso : • Al considerar un

volumen pequeño, en el rango de 10-1 a 100 m3, se tendrá un macizo rocoso a escala “0”; el cual si bien presenta al-gunos defectos au-sentes en la roca intacta tiene, en términos generales, un comportamiento mecánico similar al de ésta.

• Al considerar un volumen pequeño a mediano, en el rango de 100 a 101 m3, se tendrá un macizo roco-

so a escala “1”; el cual presenta más defectos que en el caso anterior y tiene un comportamiento me-cánico menos competente que el de la roca intacta.

• Al considerar un volumen mediano, en el rango de 101 a 102 m3, se tendrá un macizo rocoso a escala

“2”; el cual presenta más defectos que en el caso anterior e incluso puede presentar algunos defectos “nuevos”, como sería el caso de la falla geológica ilustrada en el esquema de Figura 4.1, y tiene un comportamiento mecánico bastante menos competente que el de la roca intacta.

Evidentemente, lo anterior puede continuarse y para los efectos de este trabajo se considera-

rá válida la clasificación de “escalas” de macizo rocoso que se resume en Tabla 4.1 de página siguiente, la cual indica algunos aspectos tremendamente importantes asociados al concepto de macizo rocoso y dependientes de la escala o volumen de material que se considere :

(1) El concepto de macizo rocoso supone la presencia de “defectos” tales como estructuras geo-

lógicas, por lo que implícitamente se asocia también a una definición de roca intacta. (2) La definición usual de roca intacta sería válida hasta macizos rocosos de escala 5, o equiva-

lentes a volúmenes de 104 a 105 m3 de material. Para macizos rocosos de mayor escala, o que involucren volúmenes de más de 105 m3 de material, la definición usual de roca intacta deja de ser válida y probablemente debería considerarse el comportamiento mecánico de un volumen en el rango de 1 a 10 m3 de material como representativo de la roca intacta (obvia-mente, si se sigue aumentando el volumen de material considerado más allá de las escalas indicadas en Tabla 4.1 habrá que introducir nuevos cambios en la definición de roca intacta).

MACIZO ROCOSOA ESCALA “ 1”

( 100 m3 < Vol < 101 m3 )

PROBETA DEROCA INTACTA


( 101 m3 < Vol < 102 m3 )


( 10-1 m3 < Vol < 100 m3 )

AUMENTAEL EFECTODE ESCALA

��

Figura 4.1 : Esquema que muestra el efecto del volumen de material considerado en el tipo de macizo rocoso, y la forma en que aumenta el efecto de escala al aumentar este volumen.




Tabla 4.1

ESCALAS DE MACIZOS ROCOSOS Y VOLUMENES DE MATERIAL CONSIDERADO

Escala del Macizo Rocoso

Volumen de Material

V ( m3 )

VMACIZO / VROCA INTACTA

Roca Intacta

Comentarios

0

10-1 a 100

2×101 a 8×103 1 100 a 101 2×102 a 8×104 Definición usual, Son válidas las relaciones 2 101 a 102 2×103 a 8×105 equivalente a empíricas comúnmente 3 102 a 103 2×104 a 8×106 volumen de empleadas para evaluar 4 103 a 104 2×105 a 8×107 10-4 a 5×10-3 m3 el efecto de escala 5 104 a 105 2×106 a 8×108

6

105 a 106

2×104 a 8×106

Posiblemente

No necesariamente son 7 106 a 107 2×105 a 8×107 equivalente a un válidas las relaciones 8 107 a 108 2×106 a 8×108 volumen de 1 a 10 m3 anteriores

(3) Las relaciones empíricas comúnmente empleadas para evaluar el efecto de escala (e.g. ver Hoek & Brown (1997)) se basan principalmente en una base de datos asociada a túneles, en el caso de la resistencia del macizo rocoso; y a represas, en el caso de la deformabilidad del macizo rocoso. Por lo tanto, estas relaciones no necesariamente serían válidas para ma-cizos rocosos de escala 6 o superior, los que involucran volúmenes de más de 107 m3 de ma-terial.

Todo lo anterior se resume en el esquema de Figura 4.2; el cual muestra como un mismo macro vo-lumen puede considerarse como macizos rocosos a distinta escala, de acuerdo al problema particular que se esté analizando. Así, por ejemplo, si se desea evaluar el vo-lumen de roca afectado por el inicio del caving en un nuevo sector pro-ductivo probablemente deberá con-siderarse un macizo rocoso escala 7 (106 a 107 m3); por otra parte, si se desea evaluar la estabilidad de unas calles y zanjas probablemente deberá considerarse un macizo ro-coso escala 5 (104 a 105 m3), que puede corresponder a una parte del macizo escala 7; finalmente, si se debe estudiar la estabilidad de una labor en particular probablemente deberá considerarse un macizo ro-coso escala 4 (103 a 104 m3), que puede corresponder a una parte del macizo escala 5.

��

��

��

100 m

100 m

150 m

50 m

30 m

30 m

15 m15 m

8 m

5

4

7

Figura 4.2 : Esquema que muestra como, dependiendo del problema a anali-zar, pueden considerarse macizos rocosos a distinta escala y donde los maci-zos de menor escala corresponde a partes o sub-volúmenes de los macizos rocosos de mayor escala. En este ejemplo se muestran macizos de escala 7 (106 a 107 m3), escala 5 (104 a 105 m3), y escala 4 (103 a 104 m3) (modificada de Pusch (1994)).




5. ESCALA Y ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS En la medida que aumenta la escala del macizo rocoso no solo aumenta el número de es-

tructuras geológicas presentes en éste, sino que también aumente el tipo de estructuras con plausibilidad de ocurrencia. Así, un macizo rocoso escala 0 difícilmente incluirá fallas geológicas, pero un macizo ro-coso escala 8 puede incluir no solo una sino varias fallas geológicas.

Conforme con lo anterior, resulta también conveniente definir un orden para las estructuras

geológicas que podrían estar presentes en el macizo rocoso y, para este propósito, se aceptará la propo-sición de Pusch (1994,95), la cual se resume en Tabla 5.1 de página siguiente y merece los siguientes comentarios :

• El “orden” indica la escala de la estructura, y queda definido por su persistencia o extensión

en el sentido de su traza. • Las estructuras “de primer orden” corresponden a estructuras mayores y que resultan rele-

vantes para la estabilidad de labores subterráneas, mientras que las estructuras “de orden superior” corresponden a estructuras menores o poco relevantes para la estabilidad de las labores subterráneas.

• Desde un punto de vista práctico basta con definir 7 ordenes de estructuras :

− Estructuras de orden 1 a 4; corresponden a estructuras mayores, con persistencias de

decenas de m o incluso mayores, e importantes en lo que dice relación con la estabili-dad de cavidades subterráneas.

− Estructuras de orden 5; corresponden a estructuras intermedias, con persistencias en

el rango de 1 a 10 m, y relativamente poco importantes en lo que dice relación con la estabilidad de cavidades subterráneas.

− Estructuras de orden 6 y 7; corresponden a estructuras menores, con persistencias de

menos de 1 m, y no importantes en lo que dice relación con la estabilidad de cavida-des subterráneas.

• En general la resistencia de la estructura disminuye al aumentar su persistencia, por lo que

las estructuras mayores son menos resistentes que las intermedias y éstas, a su vez, son menos resistentes que las estructuras menores22.

• Usualmente la potencia del relleno es mayor en las estructuras mayores. • En general la plausibilidad de encontrar rellenos blandos y débiles es mayor en las estructu-

ras de menor orden, especialmente en lo que dice relación con la presencia de minerales ar-cillosos.

22 Debe entenderse que los valores que se reseñan en Tabla 5.1, para el ángulo de fricción de las estructuras de distinto orden,

corresponden solo a una estimación criteriosa de su rango probable y no eliminan la necesidad de una evaluación detallada cuando se estudie algún tipo de estructura en particular.




Tabla 5.1 ORDEN DE LAS ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y SUS CARACTERISTICAS

(en base a Pusch (1994,95))

Orden

Persistencia

Espaciamiento

Espesor del

Angulo de Fricción

Características ( m ) ( m ) Relleno

( cm ) Peak φJPEAK

Residual φJRES

Típicas

ESTRUCTURAS MAYORES, MUY IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE CAVIDADES SUBTERRANEAS

1

> 104

> 103

20 a

1000

15º a

25º

15º a

20º

Estructuras de tipo regional, con persis-tencias de decenas de km y espaciamien-tos del orden de km. Su ancho puede al-canzar varios m y usualmente presentan rellenos de tipo salbanda arcillosa. Gene-ralmente presentan una condición de re-sistencia residual por haber sufrido gran-des desplazamientos. Dilatancia muy ba-ja.

2

103

a 104

102

a 103

5 a

500

20º a

25º

15º a

20º

Estructuras mayores con persistencias de km y espaciamientos del orden de cientos de m. Son similares a las Estructuras de Orden 1 pero su ancho es menor y, gene-ralmente, también su relleno presenta un menor contenido de arcillas. Generalmen-te presentan una condición de resistencia residual y una dilatancia muy baja.

3

102

a 103

101

a 102

2 a

200

25º a

30º

20º a

25º

Estructuras de tipo local pero con persis-tencias de cientos de m y espaciamientos típicamente en el rango de 30 a 150 m Algunas veces presentan rellenos de tipo granular y otras rellenos arcillosos. A ve-ces presentan pátinas de clorita y se en-cuentran en condición de resistencia resi-dual. Su dilatancia es generalmente baja.

4

101

a 102

100

a 101

0,5 a

50

30º a

40º

25º a

30º

Estructuras locales con persistencias de decenas de m y espaciamientos típicos en el rango de 2 a 10 m. Pese a que usual-mente son lisas, muchas veces presentan ondulaciones que aumentan su fricción peak. Cuando no son lisas y planas su resistencia al corte baja considerablemen-te, especialmente si contienen pátinas de clorita. Su dilatancia es baja a media.

ESTRUCTURAS INTERMEDIAS, POCO IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE CAVIDADES SUBTERRANEAS

5

100

a 101

10-1

a 100

0,1 a 2

35º a

50º

30º a

35º

Estructuras locales con persistencias no mayores que 1 m y espaciamientos típi-cos en el rango de 0,2 a 1 m. Constituyen la gran mayoría de las estructuras visibles en las cajas de las labores subterráneas. Pueden ser muy rugosas y con una resis-tencia peak media a alta. Su dilatancia es media a alta.

ESTRUCTURAS MENORES, NO IMPORTANTES PARA LA ESTABILIDAD DE LAS LABORES SUBTERRANEAS

6

10-1

a 100

10-2

a 10-1

0,05

a 0,2

40º a

60º

35º a

40º

Estructuras de escala pequeña que usualmente corresponden a vetillas o fisu-ras selladas con distintos tipos de relleno. Pueden ser rugosas o lisas. Su resisten-cia al corte es alta y presentan usualmen-te dilatancia media a alta.

7

< 10-1

< 10-2

< 0,1

- - -

- - -

Estructuras de escala muy pequeña que usualmente corresponden a vetillas o fisu-ras selladas con distintos tipos de relleno. En general son lisas, pro están bastante trabadas, por lo que su resistencia al corte probablemente es alta a muy alta, al igual que su dilatancia.




En la práctica, la gran mayoría de las estructuras que se registra en los mapeos geológico-geotécnicos de labores subterráneas son de orden 5 (i.e. con persistencias en el rango de 1 a 10 m); por lo que la mayoría de las relaciones empíricas utilizadas para calificar geotécnicamente el macizo rocoso se basan en macizos rocosos a una escala tal que están afectados principalmente por estructuras de este orden (i.e. macizos con escalas en el rango de 3 a 5).

Por lo tanto, se debe ser especial-mente cuidadoso al evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso usando los métodos tradi-cionales; ya que como se indica en el esquema de Figura 5.1, las es-tructuras que resultan relevantes para definir el macizo rocoso a es-cala 4 resultan poco relevantes pa-ra definir un macizo rocoso a esca-la 5, y son francamente irrelevantes para definir un macizo rocoso a es-cala 7. Conforme con esto, puede señalar-se que la base de datos estructura-les a utilizar en la caracterización del macizo rocoso depende de la escala del macizo rocoso conside-rado y, por lo tanto, el uso indiscri-minado de una misma base de da-tos estructurales para calificar ma-cizos a distintas escalas puede producir resultados poco confia-bles.

6. PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

6.1. Generalidades Como se ha indicado en las secciones anteriores de este informe, el macizo rocoso es un vo-

lumen “importante” de material que está conformado por un conjunto de bloques (los más pequeños de los cuales corresponderían a “roca intacta”), cuyas geometrías y distribución de tamaños queda definida por las estructuras geológicas. Conforme con esto, el comportamiento mecánico del macizo rocoso de-penderá de los siguientes factores :

• Propiedades mecánicas de los bloques que lo constituyen (éstas serían similares a las de

la roca intacta, para los bloques de menor tamaño, y menos competentes que las de la roca intacta, para los bloques de mayor tamaño).

��

��

��

100 m

100 m

150 m

50 m

30 m30 m

15 m15 m

8 m

5

4

7

Figura 5.1 : Esquema que muestra como, dependiendo del problema a anali-zar, pueden considerarse macizos rocosos a distinta escala y donde los maci-zos de menor escala corresponde a partes o sub-volúmenes de los macizos rocosos de mayor escala. Además, se observa que las estructuras “relevan-tes” dependen de la escala del macizo rocoso. En este ejemplo se muestran macizos de escala 7 (106 a 107 m3), escala 5 (104 a 105 m3), y escala 4 (103 a 104 m3) (modificada de Pusch (1994)).




• Propiedades de las estructuras presentes en el macizo rocoso (de mucho menor compe-tencia que la roca intacta), las que son especialmente relevantes cuando estas estructuras definen la cinemática de una eventual falla o ruptura del macizo rocoso.

• Interacción del conjunto de bloques, la cual básicamente depende de su grado de “traba-

zón” y queda definida por la geometría del conjunto de bloques y la condición de contacto en-tre bloques adyacentes. Si bien lo anterior parece lógico y, de hecho, constituye la base “filosófica” en que se apoyan

los métodos actualmente en uso para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso (como se discute más adelante en este informe), en la práctica es usual que se ignore una serie de hechos que de-ben tenerse presentes para lograr una adecuada caracterización geomecánica del macizo rocoso :

(1) El concepto de “macizo rocoso” considera, implícita o explícitamente, la presencia de “defec-

tos” (usualmente discontinuidades) que están ausentes en la “roca intacta”. Por lo tanto, en rigor no es posible separar los conceptos de macizo rocoso - defectos - roca intacta.

(2) El concepto de “defectos” implícitamente lleva asociado un concepto de escala o tamaño

(nadie consideraría microfracturas parta caracterizar un macizo rocoso a escala 7 y, por otra parte, no es posible incluir una familia de fallas geológicas en la caracterización de un macizo rocoso a escala 4). Por lo tanto, los “defectos a ser considerados” dependen de la escala del macizo rocoso que se considere.

(3) Conforme con (1) y (2) resulta que el concepto generalizado de “roca intacta” también de-

pende de la escala del macizo rocoso que se considere. De hecho, la definición usual de ro-ca intacta (ver Sección 3 de este informe), sería válida para macizos rocosos hasta de escala 5, y dejaría de ser válida para macizos rocosos a mayor escala. Teniendo presente las observaciones anteriores, en lo que sigue se presenta una breve re-

seña de los métodos utilizados para caracterizar el comportamiento mecánico del macizo rocoso, conside-rando en primer lugar los modelos físicos y luego el uso de relaciones empíricas.

6.2. Modelos Físicos y Ensayos de Laboratorio El considerar el macizo rocoso como un conjunto de bloques permite el desarrollo de mode-

los físicos para estudiar su comportamiento mecánico; sin embargo, el volumen de un bloque cualquiera, así como su forma, dependerá de la orientación espacial de las estructuras que lo delimitan y del espa-ciamiento entre éstas; pudiendo encontrarse en el macizo rocoso bloques :

• de igual forma e igual volumen

• de igual forma pero distinto volumen

• de distinta forma pero igual volumen

• de distinta forma y distinto volumen

Dependiendo de la forma como se incorpore la variabilidad de la geometría del conjunto de

bloques, será posible desarrollar modelos físicos de distinto grado de complejidad y que se asemejan en mejor o peor forma al macizo rocoso que se desea modelar.




Tabla 6.1 TIPOS DE MODELOS FISICOS DEL MACIZO ROCOSO

Sistemas de

Discontinuidades

El espaciamiento entre discontinuidades de todos los sistemas es constante

(bloques de igual volumen)

El espaciamiento entre discontinuidades de al menos un sistema es variable

(bloques de distinto volumen)

Tipo de Discontinuidades

Todas lisas

Al menos un sistema es rugoso

Todas lisas

Al menos un sistema es rugoso

1 Modelo CL -1 Modelo CR -1 Modelo VL -1 Modelo VR -1 2 Modelo CL -2 Modelo CR -2 Modelo VL -2 Modelo VR -2 3 Modelo CL -3 Modelo CR -3 Modelo VL -3 Modelo VR -3

Luego es posible clasificar los tipos de modelo físico del macizo rocoso según la forma como

éstos consideren la geometría del arreglo de bloques y su condición de contacto, definida en términos de la rugosidad de las discontinuidades que definen las caras de los bloques, como se muestra en Tabla 6.1.

Desde fines de los años 50 se han desarrollado numerosos estudios de laboratorio para eva-luar el comportamiento de macizo rocosos mediante el ensaye probetas con una o más discontinuidades y, también, de modelos físicos constituidos por conjuntos de bloques. Algunos de estos modelos se ilus-tran en Figura 6.1 de página siguiente, y en Tabla 6.2 se presenta un resumen de alguno de estos ensa-yos y sus principales características23.

Figura 6.1 : Ejemplos de algunos modelos fí- sicos de bloques que han sido ensayados en laboratorio.

23 Este resumen es el resultado de 3 días de trabajo en la biblioteca, por lo que en ningún caso pretende incluir todos los ensayos

de este tipo que han sido publicados en la literatura técnica.

(a) Modelos ensayados por Lama (1974).

(b) Modelos ensayados por Einstein et al. (1969)

(c) Modelos ensayados por Brown (1970)




Tabla 6.2 ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES

Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES

Año

Referencia

Tipo de Modelo

Descripción

1958 Price CL -1 Probetas de arenisca con planos de estratificación ensayadas, para dis-tintas orientaciones de los planos de estratificación, en COMPRESION TRIAXIAL.

1959 Berenbaum & Brodie CL -2 Discos de carbón con 2 sistemas de discontinuidades ortogonales (cleats), ensayados en TRACCION INDIRECTA (carga diametral), para distintas orientaciones de las discontinuidades.

1963 Donath CL -1 Probetas de pizarra ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL para dis-tintas orientaciones de los planos de clivaje.

1964 Hobbs CL -1 Discos de areniscas, limonitas y lutitas con planos de estratificación, ensayados en TRACCION INDIRECTA (carga diametral) para distintas orientaciones de las discontinuidades.

1965 Müller & Pacher CL -1 Probetas prismáticas (70 cm x 70 cm x 30 cm), con un sistema de dis-continuidades, ensayadas en COMPRESION BIAXIAL.

1966 Boretti-Onyszkiewicz CL -1 Probetas de arenisca con planos de estratificación; en condición seca y en condición saturada, para distintas orientaciones respecto a la direc-ción de carga, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

Goldstein et al. CL -3 Probetas prismáticas de cubos (2 cm x 2 cm x 2 cm) de mortero, ensa-yadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas razones entre el ta-maño de la probeta (L) y el tamaño de los cubos (l = 2 cm).

Hayashi CL -1 Probetas prismáticas de mortero con una o más discontinuidades, para-lelas entre si y ubicadas en la zona central de la probeta, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL, TRACCION INDIRECTA (flexión) y CORTE DIRECTO.

Krsmanovic et al. CL -1 Probetas de caliza con planos de estratificación y/o de diaclasamiento, ensayadas en CORTE DIRECTO en la dirección de los planos pero pa-ra distintas extensiones de éstos (i.e. con “puentes” de roca de distinto tamaño).

Youash CL -1 Probetas de arenisca, esquistos y gneis con planos de estratificación o esquistosidad ubicados con distinta orientación respecto a la dirección de carga, ensayadas en TRACCION DIRECTA y en COMPRESION TRIAXIAL.

1967 Lajtai CR -1 Probetas de mortero con discontinuidades dentadas y orientaciones de 30º a 50º respecto a la dirección de carga, ensayadas en COMPRE-SION UNIAXIAL.

1968 Horino CL-1 Probetas de arenisca, caliza y granito, con discontinuidades inclinadas de 0º a 57º c/r a la horizontal. Cuando la misma probeta tenía 2 discon-tinuidades, la razón entre la distancia entre discontinuidades y el diáme-tro de la probeta tenia valores de 0.25, 0.5 y 1. Se ensayaron en COM-PRESION UNIAXIAL.

1969 Bamford CL -1 Probetas de limonita con planos de estratificación con inclinaciones de 15º a 75º c/r la horizontal, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

Dube & Singh CL -1 Discos de arenisca con planos de estratificación, ensayados en TRAC-CION INDIRECTA (carga diametral) para distintas orientaciones de los planos de estratificación.

Einstein et al. CL -1 &

CL -3

Probetas prismáticas con 1 o 3 sistemas de discontinuidades (ortogona-les), de yeso y mortero, ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL (para una misma configuración, se ensayaron probetas con bloques de distin-to tamaño).

John CL -2 Probetas prismáticas con 2 sistemas de discontinuidades, contínuas y discontinuas (i.e. con “puentes de roca”),

1970 Akai et al. CL -1 Probetas de esquisto cristalino ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientaciones entre los planos de esquistosidad y la di-rección de carga.

Daire CL -1 Probetas de esquisto ensayadas en TRACCION INDIRECTA (flexión) para distintas orientaciones de los planos de esquistosidad.




Tabla 6.2 ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE PROBETAS CON UNA O MAS DISCONTINUIDADES

Y MODELOS FISICOS CONFORMADOS POR BLOQUES ( continuación)

Año

Referencia

Tipo de Modelo

Descripción

1970 Brown

Brown & Trollope

CL -3 &

CR -3

Probetas prismáticas (8” x 4” x 4”) formadas con bloques definidos por 3 sistemas de discontinuidades (bloques de sección cuadrangular y de sección hexagonal), ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL para dis-tintas orientaciones y distintas densidades de bloques (se consideran los casos de discontinuidades persistentes y con “puentes de roca”).

Lajtai CL -1 Probetas con discontinuidades ensayadas en COMPRESION UNIA-XIAL.

Kawamoto CR -1 Probetas de mortero con un sistema de discontinuidades que presentan “puentes de roca”, ensayadas en CORTE DIRECTO pra distintas orien-taciones de las discontinuidades.

1971 Motoyama & Hirschfeld CL -3 Probetas prismáticas de mortero conformadas por bloques de caras or-togonales y a 45º, con distintas densidades de discontinuidades, ensa-yadas en COMPRESION TRIAXIAL.

Walker CL -1 Probetas prismáticas formadas por laminas de mortero, colocadas hori-zontalmente o verticalmente, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintos valores de la razón entre el ancho de la probeta y el es-pesor de las láminas.

Pomeroy et al. CL -3 Probetas de carbón con 3 sistemas de discontinuidades (aprox. ortogo-nales) ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL y COMPRESION TRIAXIAL, para distintas orientaciones de las discontinuidades.

1974 Lama CL -1 &

CL -3

Probetas prismáticas con 1 o 3 sistemas de discontinuidades (ortogona-les), conformadas por materiales de distinta resistencia y configuradas para distintas densidades de bloques (i.e. en cada probeta los bloques tenían el mismo tamaño pero se prepararon probetas con distinto tama-ño de los “bloques unitarios”), ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

Gonano CL -3 Probetas prismáticas conformadas por bloques cúbicos y ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

1975 Lama CL -3 Probetas prismáticas conformadas por bloques definidos por 3 sistemas ortogonales de discontinuidades, el principal de los cuales es inclinado c/r a la dirección de carga, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

1976 Lama & Gonano CL -3 Probetas prismáticas conformadas por bloques cúbicos y ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL.

1978 Reik & Zacas CL -3 Probetas prismáticas con bloques definidos por 3 sistemas ortogonales de discontinuidades, ensayadas en COMPRESION TRIAXIAL VERDA-DERA (i.e. no axisimétrica).

1979 Shiryaev et al. CL -2 Probetas prismáticas conformadas por bloques rectangulares ensaya-das en COMPRESION BIAXIAL , para distintas orientaciones de las discontinuidades principales.

1991 Huang & Yang CL -1 &

CL -3

Probetas prismáticas de mortero con 1 y 3 sistemas de discontinuida-des ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientacio-nes de los sistemas de discontinuidades.

1993 Archambault & Ladanyi CL -2 Probetas prismáticas de bloques rectangulares ensayadas en CARGA BIAXAIL para estudiar el desarrollo de fallas tipo kink band en macizos rocosos fracturados.

1994 Ramamurthy & Arora CL -1 Probetas cilíndricas de arenisca y mortero, con discontinuidades en dis-tintas orientaciones, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL Y COM-PRESION TRIAXIAL.

1995 Yang & Huang CL -1 &

CL -3

Probetas prismáticas de mortero con 1 y 3 sistemas de discontinuida-des ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL para distintas orientacio-nes de los sistemas de discontinuidades.

1997 Kulatilake et al. CL -3 Probetas prismáticas formadas por bloques de caras no ortogonales, ensayadas en COMPRESION UNIAXIAL, para distintas orientaciones de los sistemas de discontinuidades.




Los resultados de todos estos ensayos de laboratorio han permitido concluir lo siguiente res-pecto al comportamiento mecánico de materiales compuestos por conjuntos de bloques :

(1) Como se muestra en

el ejemplo de Figura 6.2, la presencia de discontinuidades dis-minuye o hace menos competentes las pro-piedades mecánicas de la roca intacta y, si existen varios siste-mas de discontinuida-des que definen blo-ques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda defi-nida por un único sis-tema de discontinui-dades).

(2) Como se ilustra en el ejemplo de Fi-gura 6.3, la presencia de discontinui-dades que definen bloques induce un comportamiento anisotrópico, que puede llegar a ser muy notable y que-da definido, usualmente, por la direc-ción de las discontinuidades más débi-les, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las disconti-nuidades más blandas, en lo que se refiere a compresibilidad.

(3) Como se ilustra en el ejemplo de Fi-

gura 6.4 de página siguiente, a medi-da que aumenta el número de siste-mas o familias de discontinuidades, la anisotropía inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del ma-terial se hace más isotrópico. De hecho, la anisotropía suele ser máxi-ma cuando existe un único sistema de discontinuidades que es claramente dominante.

Figura 6.2 : Envolventes de falla de Mohr-Coulomb obtenidas para probetas de yeso “intactas”, con discontinuidades y con bloques (tomada de Einstein et al. (1969)).

Figura 6.3 : Caso de resistencia anisotrópica debido a discontinuidades que definen bloques. Nótese que para niveles bajos del esfuerzo normal existe un segundo eje de anisotropía, el que desaparece al aumentar el esfuerzo normal (tomada de Walker (1971)).




Figura 6.4 : Ejemplo que muestra como al aumentar el número de sistemas de discontinuidades disminuye la anisotropía de una probeta cargada en compresión triaxial (tomada de Hoek & Brown (1980)).

(4) El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que también de la

geometría de éstos. Como ejemplo, puede señalarse que para las configuraciones de blo-ques que se muestran en Figura 6.5 (a) y (b), Brown (1970,76) obtuvo las curvas carga de-formación que se muestran en Figuras 6.6 y 6.7 de páginas siguientes.

Figura 6.5 : Configuraciones de bloques ensayadas por Brown (1970,76).

(a) 2 discontinuidades a 90º

(b) 3 discontinuidades a 60º

(c) 4 discontinuidades a 45º

(a)

(b)




Figura 6.6 : Variación de la fuerza axial, FA, del cambio de volumen, ∆V, y del cambio de ancho, ∆U, en función de la deformación axial, ∆L, según los resul-tados obtenidos por Brown (1976) para probetas con las configuraciones de bloques indicadas en Figura 6.5.a.




Figura 6.7 : Curvas esfuerzo desviatórico versus deformación axial obtenidas por Brown (1976) para probetas con las configuraciones de bloques indicadas en Figura 6.5.b. De izquierda y arriba hacia la derecha y abajo : (a) probetas tipo T60, (b) probetas tipo T45, (c) probetas tipo H60, (d) probetas tipo H45, y (e) probetas tipo H30.




(5) La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocurrencia de modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica definida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o in-estabilidades tipo “kink band”, ilustrada en el ejemplo de Figura 6.8.

Figura 6.8 : Ejemplo de fallas tipo “kink band” en un

medio formado por bloques (tomada de Ar-chambault & Ladanyi (1993)).

(6) Como se ilustra en los ejemplos de Figuras 6.9 y 6.10 de página siguiente, dependiendo de

las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resistencias de la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura puede ser o no in-fluenciada por la orientación de las discontinuidades y puede comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.

(a) Geometría de una falla tipo “kink band” ideal en una roca fracturada (tomada de Donat (1968)).

(b) Ejemplos de falla tipo “kink band” obtenidas en modelos de bloques con inclinaciones de 45º, 30º y 15º respecto a la vertical (de izquierda a derecha), bajo aproximadamente la misma presión de confinamiento (1,7 MPa) y ensayados en compresión biaxial.

(c) Resultados de ensayos de compresión biaxial sobre probe-tas formadas por bloques, que muestran como la ocurren-cia de fallas tipo “kink band” se traduce en una disminu-ción de la resistencia “teórica” asociada únicamente al efecto de las discontinuidades (Dominio III).




Figura 6.9 : Distintos modos de falla en probetas conformadas por bloques : (a) Apertura de discontinuidades, deslizamiento de bloques, y falla por tracción en la “roca intacta”; (b) apertura de discontinuidades, desli-zamiento y rotación de bloques; y, (c) apertura de discontinuidades, deslizamiento de bloques y falla por tracción y por corte en la “roca intacta” (tomada de Kulatilake et al. (1997)).

Figura 6.10 : Distintos modos de falla en modelos de bloques ensayados por Lama (1975).

(a) Apertura de discontinuidades, des-lizamiento y rotación de bloques y también falla por tracción en la “ro-ca intacta” .

(b) Apertura de discontinuidades, des-lizamiento y rotación de bloques, con el desarrollo de un falla tipo “kink band” en el centro.




(7) Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento carga-deformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga, como se ilustra en el esquema de Figura 6.11.

Todo lo anterior se traduce en que la evaluación de las propiedades mecánicas del macizo

rocoso es un proceso complejo y que requiere el análisis el análisis detallado de las condiciones particula-res que definen el macizo rocoso a analizar, especialmente en lo que dice relación con su escala (i.e. el volumen de material considerado), los sistemas estructurales presentes (de un orden adecuado a la esca-la del macizo), el arreglo geométrico de bloques y la(s) cara(s) libre(s) (definen las posibilidades cinemáti-cas de falla), las propiedades mecánicas de la “roca intacta” y de las estructuras (definidas conforme a la escala del macizo).

Desgraciadamente, en la práctica lo más frecuente es encontrar que se ignora (al menos ex-

plícitamente) todo esto, y para evaluar las propiedades mecánicas del macizo rocoso se procede única-mente a “escalar” las propiedades de la “roca intacta” (conforme con la definición usual), mediante alguna correlación de tipo empírico, como se discute en la siguiente sección de este informe.

CASO : ( a ) ( b ) ( c ) Tipo de Deformación Predominante Normal Ambos Corte Forma de la Curva Carga-Deformación Cóncava Lineal Convexa Histéresis Pequeña Media Grande Expansión Lateral Pequeña Media Grande

Figura 6.11 : Ejemplos de distintos comportamientos carga-deformación en función de la importancia relativa de las deformaciones normales y de corte (tomada de Barton (1986)).




6.3. Evaluación de las Propiedades Mecánicas del Macizo Rocoso : Efecto de Escala Actualmente la práctica habitual para estimar las propiedades mecánicas del macizo rocoso

es “escalar” las propiedades de la roca intacta mediante alguna correlación, usualmente empírica, que permita considerar la “calidad geotécnica” del macizo rocoso como escala de calificación para la degrada-ción o “castigo” de las propiedades de la roca intacta.

En Tabla 6.3 de página subsiguiente se presenta un resumen de algunos de estos métodos

empíricos24, con indicación de la información que requieren y de el resultado que entregan, de acuerdo con las siguientes denominaciones o símbolos :

a Parámetro del criterio de falla generalizado de Hoek - Brown

CU Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (definición usual de roca intacta)

CU Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta (definición usual de roca intacta)

B Ancho o diámetro de la cavidad subterránea

c Cohesión de la roca intacta

cRM Cohesión de macizo rocoso

CP Resistencia en compresión del pilar

CURM Resistencia en compresión no confinada del macizo rocoso

D Ancho del pilar

DESDIS Descripción de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso

DESMAS Descripción del macizo rocoso

DRMS Resistencia de diseño del macizo rocoso, según Laubscher

E Módulo de deformabilidad de la roca intacta

ERM Módulo de deformabilidad del macizo rocoso

f Frecuencia predominante con que se propaga en el macizo rocoso una onda de corte gene-rada con un golpe de martillo y registrada a una distancia de 30 m

FF Frecuencia lineal de fracturas en el macizo rocoso (fract./m)

GSI Indice de resistencia geológica definido por Hoek et al. (1995)

H Altura del pilar

L Extensión de la arista del volumen considerado como macizo rocoso (i.e. es la raíz cúbica del volumen de material que comprende el macizo rocoso)

mb Parámetro m del criterio generalizado de Hoek-Brown para el macizo rocoso fracturado

mi Parámetro m del criterio generalizado de Hoek-Brown para la roca intacta

Q Indice de calidad geotécnica de Barton et al. (1974)

24 Este resumen es el resultado de 1 día de trabajo en la biblioteca, por lo que en ningún caso pretende incluir todos los métodos

de evaluación de propiedades mecánicas del macizo rocoso que han sido publicados en la literatura técnica.




RQD Indice de designación de la calidad de la roca

RMRB Indice de calidad geotécnica propuesto por Bieniawski

RMRL Indice de calidad geotécnica propuesto por Laubscher

RMS Resistencia del macizo rocoso, según Laubscher

RH Radio hidráulico de la sección transversal (horizontal) del pilar

s Parámetro del criterio de falla generalizado de Hoek - Brown

sJ Espaciamiento medio de las discontinuidades que definen los bloques de tamaño típico en el macizo rocoso considerado

S Razón entre el ancho y la altura del pilar

V Volumen del pilar

φ Angulo de fricción de la roca intacta

φRM Angulo de fricción del macizo rocoso

σCI Resistencia en compresión no confinada de la roca intacta según el criterio de Hoek - Brown (en general es algo menor que CU) De todos los métodos reseñados en Tabla 6.3, la tendencia actual es utilizar el método gene-

ralizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser correcto, ya que :

• La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesariamente

concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos métodos25. • El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores meno-

res de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

• En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla geoló-

gica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen planos de ciza-lle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de hacer esto no ha sido explícitamente definida.

• Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comportamiento iso-

trópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructural que tenga in-fluencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evidentemente, existen mu-chos casos en que esto no es así.

25 Las escalas de aplicabilidad que se indican en Tabla 6.3 corresponden a una estimación del autor de este informe, ya que en la

gran mayoría de los trabajos citados en dicha tabla no se indica explícitamente la escala de aplicabilidad.




Tabla 6.3 METODOS PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MACIZO ROCOSO

Característica Mecánica

Método Información Requerida

Resultado Entregado

Rango de Aplicación

Holland (1942) Carbón Obert et al. (1946) Rocas cristalinas de grano fino Gaddy (1956) Carbón

Resistencia Holland & Gaddy (1957) CU , D , H en compresión Obert & Duvall (1967) Rocas duras

uniaxial de Bieniawski (1967,70) pilares Lama (1971) CP Carbón

de roca Van Heerden (1974) (i.e. macizos Hustrulid (1976) rocosos de Salamon & Oravecz (1976) CU , RH , H Carbón orden no Hardy & Agapito (1977) CU , D , H , V Esquistos bituminosos

mayor que 3) Hedley (1978) CU , RH , H Rocas muy competentes Bieniawski (1983) CU , D , H Carbón Wagner & Madden (1984) CU , S , V Arenisca Stacey & Page (1986) DRMS , RH , H Rocas varias

Resistencia Protodyakonov (1964) CU , L , sJ Macizos de orden ≤ 3 en compresión Hendron & Aiyer (1972) CU , B , sJ CURM Macizos de orden ≤ 4

uniaxial del Laubscher (1977) CU , RMRL macizo rocoso Stille et al. (1982) RMRL Rocas duras competentes,

macizos de orden ≤ 4

Resistencia Popov (Komarnitskii (1968)) DESDIS cRM del Manev & Avramova-Tacheva (1970) c , FF Macizos de orden ≤ 4

macizo Bieniawski (1976, 79) RMRB cRM , φRM rocoso Stimpson & Ross-Brown (1979) DESMAS φRM Minas rajo abierto cobre porfí-

dico, macizos de orden ≤ 4 Hoek & Brown (1997) mi , σCI , GSI mb , s , a Macizos de orden ≤ 5

Deere et al. (1967) E , RQD Macizos de orden ≤ 4 Deformabilidad Schneider (1967) , Bieniawski (1978) f Macizos de orden ≤ 3

del Coon & Merritt (1970) RQD macizo Bieniawski (1978) RMRB ERM Macizos de orden ≤ 4 rocoso Barton (1983) Q

Serafim & Pereira (1983) RMRB Hoek & Brown (1997) σCI , GSI Rocas con σCI < 100 MPa,

macizos de orden ≤ 4




• Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas fracturas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mina El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícitamente definido, pero Karzu-lovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el cri-terio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos. Por lo tanto puede concluirse que, como se ilustra en el esquema de Figura 6.12, los méto-

dos actualmente utilizados “en forma estándar” para evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de es-tructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no in-fluyen la cinemática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente.

ROCA INTACTA( HOEK - BROWN APLICABLE )

MACIZO ROCOSO CONDOS SISTEMAS DE ES-

TRUCTURAS ( H - B APLI-CABLE EN ALGUNOS CASOS,

CON MUCHO CUIDADO )

MACIZO ROCOSO CONUN UNICO SISTEMA

ESTRUCTURAL ( H - B NO APLICABLE )

MACIZO ROCOSOFRACTURADO

( H - B APLICABLE)

MACIZO ROCOSOMUY FRACTURADO ( H - B APLICABLE )

MINERIAA RAJO ABIERTO

MINERIASUBTERRANEA

Figura 6.12 : Esquema que muestra la aplicabilidad del criterio de Hoek-Brown (tomada de Hoek et al (1995)).




7. TEOREMA DE SHI Dado que en este trabajo se acepta, como hipótesis básica, que el macizo rocoso está for-

mado por bloques; y en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre modelos constituidos por bloques que se han publicado en la literatura técnica (ver Sección 6.2), se ha concluido que eventuales desplazamientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del maci-zo rocoso; resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos desplazamientos.

En la Sección 3 de este informe se indicó que de todos los tipos de bloques que podían exis-

tir en el macizo rocoso sólo los bloques removibles tenían la posibilidad cinemática de desplazamiento. Por lo tanto, el poder definir cuales son los bloques removibles es equivalente a definir la posibilidad de que ocurran desplazamientos de bloques.

Afortunadamente, esto es posible mediante el Teorema de Shi, el cual establece que : LA CONDICION NECESARIA PARA QUE UN BLOQUE DADO SEA REMOVIBLE ES QUE SU JP NO SEA IGUAL AL CONJUNTO VACIO Y QUE LA INTERSECCION DE SU JP CON EL EP SEA IGUAL AL CONJUNTO VACIO :

JP JP EP = ≠ ∧ φ φ! (7.1) La demostración de este teorema puede encontrarse en el libro de Goodman & Shi (1985), y

en lo que sigue de este trabajo se aceptará y utilizará el Teorema de Shi como la herramienta que permite definir, para los bloques existentes en el macizo rocoso considerado y para el problema a analizar, cuales bloques son removibles.

8. MODELO GEOMECANICO PROPUESTO PARA EL MACIZO ROCOSO PRIMARIO DE EL TENIENTE El macizo rocoso primario de Mina El Teniente se caracteriza por ser masivo y presentar un

arreglo tipo stockwork de discontinuidades selladas. Estas estructuras, las cuales se ilustran en Figuras 8.1 y 8.2 de página siguiente, son mayoritariamente de orden 5 (o sea con persistencias en el rango de 100 a 101 m), las cuales presentas espesores que varían generalmente en el rango de 1 a 30 mm y pre-sentan rellenos generalmente más débiles que la roca de caja y que varían según sea el tipo de alteración que afecta al macizo rocoso considerado (anhidrita, biotita, bornita, calcita, calcopirita, clorita, cuarzo, epi-dota, molibdenita, ortoclasa, pirita, sericita, turmalina, etc.).

Sin perjuicio de lo anterior, aparecen también estructuras mayores, de orden 4 y 3, que pese

a observarse selladas muestran, al quedar expuestas, espejos de falla; lo que indica que presentan, en términos relativos, una menor resistencia al corte. En Figuras 8.3 y 8.4 de página subsiguiente se ilustra este tipo de discontinuidades.




Figura 8.1 : Muestra de andesita primaria del Sector Esmeral-da de Mina El Teniente que muestra un enrejado de vetillas se-lladas. Esta muestra corresponde a un testigo de 6” de diáme-tro, cortado en su parte central (o sea el ancho de la fotografía corresponde a 6”).

Figura 8.2 : Muestra de andesita primaria del Sector Esmeral-da de Mina El Teniente que muestra un enrejado de vetillas se-lladas. Esta muestra corresponde a la frente Fw del Cruzado Cabecera Norte (el ancho de la fotografía corresponde aproxi-madamente a 1,5 m).




Figura 8.3 : Detalle que muestra la superficie de un trozo ex-puesto de la Falla B que aparece en el Sector Esmeralda de Mina El Teniente, y permite observar la presencia de espejos de falla (slickensides) . El ancho de esta fotografía representa 7,5 cm.

Figura 8.4 : Detalle que muestra la superficie expuesta de una falla en el Nivel Teniente 5, que claramente muestra espejos de falla (slickensides).




La resistencia de la roca primaria intacta es alta y el macizo es bastante masivo, por lo que cuando la orientación de las estructuras relativa a una cavidad subterránea es tal que éstas no afectan la cinemática de la no ruptura se observa un comportamiento propio de los medios continuos y una eventual falla del macizo rocoso deja huecos definidos por superficies curvas, como el que se ilustra en Figura 8.5, en la forma que se puede predecir utilizando la mecánica de los sólidos continuos.

Por otra parte, cuando la orientación de las estructuras es tal que influye la cinemática de la

falla o ruptura entonces solo la resistencia de las estructuras interesa; ya que la superficie de falla queda completamente definida por éstas, como se ilustra en Fotografía 8.6, y la resistencia del macizo rocoso resulta irrelevante.

Luego, cualquier modelo geomecánico del macizo rocoso primario debe considerar la orien-

tación de las estructuras presentes en el macizo rocosos y los bloques que éstas definen, de modo tal de verificar si existe un control estructural en la cinemática que tendría una eventual falla o ruptura del maci-zo rocoso.

Figura 8.5 : Sobre-excavación sin control estructural en un pique circular del Underground Research Laboratory, Pinawa, Canada. La roca es el granito Lac du Bonet, muy competente y muy masiva (tomada del ISRM News Jour-nal de Mayo de 1993).

Figura 8.6 : Sobre-excavación completamente definida por estructuras, las cuales delimitan el bloque que cayó a cau-sa del estallido de roca del 18.01.900 en el XC-Z 28/29 del Nivel de Traspaso y Extracción del Sector Teniente Sub 6.




Por otra parte, como se ha señalado con anterioridad en este infor-me, la resistencia de estas estructuras es menor que la del macizo rocoso. Luego, una primera aproximación al problema sería considerar que las estructuras tie-nen resistencia nula y si existe un bloque removible, que sea potencialmente ines-table, entonces este bloque fallará y se desprenderá del macizo rocoso. El acep-tar esta suposición simplifica bastante el problema; sin embargo, en algunos casos puede resultar demasiado simplista, ya que como se ilustra en Figuras 8.7 y 8.8, en casos donde las estructuras definen claramente la ruptura del material, éstas presentan algún grado de resistencia, in-cluso en una condición de tracción directa que correspondería al caso más desfavo-rable y donde se esperaría una mínima resistencia.

Luego, el modelo geomecá-

nico que se considere deberá considerar la posibilidad de que las estructuras pre-senten algún grado de resistencia. Por lo tanto en lo que sigue se supondrá que las estructuras pueden tener resistencia no nula en tracción y que tienen resistencia en tracción, siendo esta última puramente friccionante26.

Conforme con todo lo anterior

se propone el siguiente modelo geomecá-nico para el macizo rocoso primario de Mina El Teniente :

(1) El macizo rocoso primario corres-

ponde a un volumen de material conformado por bloques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con relle-nos menos competentes que su ro-ca de caja, como se ilustra en Figu-ra 8.9 de página siguiente.

26 Esta suposición permite, como se demuestra más adelante, simplificar el problema mediante el uso del concepto del cono de

fricción y, por otra parte, no resulta una hipótesis demasiado restrictiva, ya que siempre resulta posible definir la resistencia “verdadera” (e.g. suponiendo que ésta presenta una componente “cohesiva”) en términos de un valor “equivalente” para el án-gulo de fricción.

( a ) ( b ) Figura 8.7 : Probeta C-5 U-20.2 de andesita primaria Hw, Sector Es-meralda de Mina El Teniente, la cual fue ensayada en tracción directa. (a) Probeta antes del ensayo, donde se resaltan con líneas de trazos las discontinuidades (b) Probeta después del ensayo, donde la superfi-cie de falla está claramente definida por las discontinuidades, pero con una resistencia en tracción no nula (tomada de Karzulovic (1997)).

( a ) ( b ) Figura 8.8 : Probeta C-5 U-20.3 de andesita primaria Hw, Sector Es-meralda de Mina El Teniente, la cual fue ensayada en tracción directa. (a) Probeta antes del ensayo, donde se resaltan con líneas de trazos las discontinuidades (b) Probeta después del ensayo, donde la superfi-cie de falla está claramente definida por las discontinuidades, pero con una resistencia en tracción no nula (tomada de Karzulovic (1997)).




20 m

20 m

35 m

MACIZO ROCOSOESCALA 5

BLOQUES

CAVIDADSUBTERRANEA

ESTRUCTURA DEPRIMER ORDEN

Figura 8.9 : Ejemplo del modelo de macizo rocoso primario que aquí se propone, para el caso particular de un macizo escala 5 (i.e. con un volumen de 104 a 105 m3 de material). Este ejemplo muestra algunos de los bloques que conforman el macizo rocoso (no removibles porque no tienen caras libres, ya que no “afloran” en la cavidad sub-terránea que define el EP), y también una estructura de primer orden (e.g. una falla geológica mayor), cuyo efecto debe ser considerado aparte o en forma especial.




(2) Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla 4.1 de página 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el posible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

(3) Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso y su

comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las disconti-nuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discon-tinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en página 24). Para esto se propone el esquema de Tabla 8.1 :

Tabla 8.1

ESCALAS DE MACIZO ROCOSO Y ESTRUCTURAS ASOCIADAS A DISTINTOS TIPOS DE PROBLEMAS DE CAVIDADES SUBTERRANEAS

Problema Considerado

Escala del

Macizo Rocoso

Volumen del Macizo

Rocoso ( m3 )

Estructuras Incorporadas en el Macizo

Rocoso

Estructuras Individuales

Estabilidad de una labor individual 5 104 a 105 Orden 6 a 4 Orden 3 a 1 y, a veces, también de Orden 5 y 4

Estabilidad de una intersección de labores

6 105 a 106 Orden 6 a 4 Orden 3 a 1 y, a veces, también

Estabilidad de un punto de extracción de Orden 5 y 4 Estabilidad de parte de un sector

productivo 7 106 a 107 Orden 5 a 3 Orden 3 a 1 y, a

veces, también Inicio del caving de Orden 4

Estabilidad de un sector productivo 8 107 a 108 Orden 5 a 3 Orden 3 a 1 y, a veces, también

Desarrollo y evolución del caving de Orden 4

(4) El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominantes”, las cuales

quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, también, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direccio-nes “predominantes primarias”, que dependen únicamente del arreglo estructural del macizo roco-so, y direcciones “predominantes secundarias”, que dependen del arreglo estructural y de la cavi-dad subterránea del problema considerado.

Las direcciones “predominantes primarias” quedan definidas por las direcciones más débiles que

son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subterránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas estructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la dirección de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxima resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir como se muestra en Figura 8.10 de página siguiente, de la forma sugerida por Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asociados a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta es la dirección de máxima resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia)27.

27 Podría no existir una clara definición de esta dirección de máxima resistencia, especialmente si la unión de los conos de fric-

ción define un área suficientemente grande dentro del círculo de referencia de la proyección estereográfica; sin embargo, el concepto sigue siendo válido y, aplicando el criterio, podría definirse una dirección “típica” de máxima resistencia.




Estas direcciones “predominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que

corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geo-fábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son ortogonales, se sugiere el conside-rar sistemas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria28.

Las direcciones “predominantes secundarias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que

también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secundarias co-rresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arreglo es-tructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subterránea (que define hacia don-de se puede mover el material), y de las fuerzas actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad).

28 El estudio de estos sistemas de ejes queda fuera de los alcances del presente trabajo, pero se sugiere desarrollar estudios es-

pecíficos para evaluar en detalle la conveniencia de este método.

Figura 8.10 : Determinación de la dirección de máxima resistencia conforme con la proposi-ción de Talobre (1957). Esta dirección es opuesta a la de mínima resistencia al corte (tomada de Goodman (1976)).




(5) Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cinemáticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea29, entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotrópico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este caso, se sugiere utilizar el cri-terio generalizado de Hoek-Brown para definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

(6) Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemáticamente ad-

misibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea29, en-tonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será pre-ciso proceder de la siguiente manera :

• Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)). • Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman (1995)). En

este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que definen los bloques. • Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortificación ade-

cuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP. • Deberá repetirse este análisis (i.e. (5) y (6)) para la nueva cavidad.

(7) Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen de material

considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plausible la ocurrencia de mo-dos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facili-tan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el interior del macizo, de cuerpos fi-lonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominan-te en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, dique de lamprófido, etc.).

El modelo mecánico recién propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo concep-

tual y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a :






29 Estos podrán determinarse aplicando teoría de bloques, tanto para los modos traslacionales como para los modos rotacionales

(e.g. ver Goodman 1995), Mauldon & Goodman (1996)).




9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Como resultado de este trabajo puede señalarse lo siguiente :

(1) Se definieron los conceptos básicos necesarios para definir un modelo conceptual de macizo rocoso, así como también una serie de términos comúnmente utilizados en ingeniería y geo-logía geotécnica (ver Sección 3, páginas 1 a 19).

(2) Se define el concepto más general de macizo rocoso; demostrándose que el mismo está

asociado a un concepto de escala o volumen de material, y que depende del problema parti-cular que se este considerando. Por lo tanto, los conceptos de roca intacta, macizo rocoso y estructuras del macizo rocoso están acoplados y no pueden definirse en forma independiente (ver Sección 4, páginas 20 a 22).

(3) Conforme con lo anterior, también se ordenan las estructuras geológicas según su “tamaño”

(ver Sección 5, páginas 23 a 25). (4) Se han revisado los resultados de ensayos sobre probetas con discontinuidades y/o confor-

madas por bloques (ver Sección 6.2, páginas 26 a 36), concluyéndose lo siguiente : • La presencia de discontinuidades disminuye o hace menos competentes las propieda-

des mecánicas de la roca intacta y, si existen varios sistemas de discontinuidades que definen bloques, entonces esta disminución se hace más notable (excepto cuando la cinemática de la falla o ruptura de la probeta queda definida por un único sistema de discontinuidades).

• La presencia de discontinuidades que definen bloques induce un comportamiento ani-

sotrópico, que puede llegar a ser muy notable y queda definido, usualmente, por la di-rección de las discontinuidades más débiles, en lo que se refiere a resistencia, y en la dirección normal a las discontinuidades más blandas, en lo que se refiere a compresi-bilidad.

• A medida que aumenta el número de sistemas o familias de discontinuidades, la aniso-

tropía inducida por éstas tiende a disminuir y el comportamiento del material se hace más isotrópico. De hecho, la anisotropía suele ser máxima cuando existe un único sis-tema de discontinuidades que es claramente dominante.

• El comportamiento mecánico depende no sólo del número de bloques sino que tam-

bién de la geometría de éstos. • La presencia de bloques hace plausible, bajo ciertas condiciones de borde, la ocu-

rrencia de modos de fallas que no son propios ni de las discontinuidades ni de la roca intacta, y que pueden traducirse en una menor resistencia que la asociada a los modos “tradicionales” de falla de las rocas fracturadas (i.e. a una resistencia anisotrópica defi-nida por la inclinación de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso); cual el caso de las llamada fallas o inestabilidades tipo “kink band”.

• Dependiendo de las condiciones de borde, la configuración geométrica y las resisten-

cias de la roca intacta y de las distintas familias de discontinuidades; la cinemática de la ruptura puede ser o no influenciada por la orientación de las discontinuidades y pue-de comprometer a la roca intacta y/o a las discontinuidades y/o a un grupo de bloques.




• Antes de que se produzca la ruptura o falla del material, el comportamiento carga-deformación queda definido por la importancia relativa de las componentes normal y de corte de la deformación; lo que depende de la geometría del arreglo de bloques y de su orientación respecto a la dirección de aplicación de la carga.

(5) Se han revisado los métodos que se han utilizado en la práctica para evaluar las propiedades

mecánicas del macizo rocoso (ver Sección 6.3, páginas 37 a 40), concluyéndose que la ten-dencia actual es utilizar el método generalizado de Hoek - Brown, cuya más reciente versión se presenta en el trabajo de Hoek & Brown (1997), para evaluar la resistencia del macizo rocoso y las proposiciones de Serafim & Pereira (1983) y de Hoek & Brown (1997) para evaluar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso. Sin embargo, esto puede no ser co-rrecto, ya que : • La escala del macizo rocoso (i.e. el volumen de material considerado) no necesaria-

mente concuerda con las escalas de los casos considerados en la definición de estos métodos30.

• El empleo del índice GSI (o del índice RMR) se hace bastante subjetivo para valores

menores de 25 (e.g. en la práctica resulta muy difícil decidir si el macizo rocoso tiene un índice GSI de 17 o de 22).

• En el caso de macizos rocosos muy cizallados (e.g. las zonas adyacentes a una falla

geológica regional, cual el caso de la Falla Oeste de Mina Chuquicamata), existen pla-nos de cizalle que deben ser considerados al definir σCI ; sin embargo, la forma de ha-cer esto no ha sido explícitamente definida.

• Estas relaciones suponen implícitamente que el macizo rocoso presenta comporta-

miento isotrópico, lo que equivale a considerar que no existe ningún sistema estructu-ral que tenga influencia en la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso. Evi-dentemente, existen muchos casos en que esto no es así.

• Estas relaciones han sido desarrolladas para macizos rocoso “fracturados”, por lo que

no son directamente aplicables al caso de macizos rocosos masivos o con pocas frac-turas, cual es el caso de la Pipa de Brecha Braden y del macizo rocoso primario de Mi-na El Teniente. En este caso tampoco hay un procedimiento que haya sido explícita-mente definido, pero Karzulovic & Díaz (1994) y Karzulovic (1997) han desarrollado “adaptaciones” para aplicar el criterio de Hoek-Brown a este tipo de macizos rocosos.

Por lo tanto puede concluirse que los métodos actualmente utilizados “en forma estándar” pa-

ra evaluar las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, sólo son aplicables al caso de macizos rocosos fracturados, con una cantidad de sistemas de estructuras tal que se tiene comportamiento isotrópico, y con estructuras con orientaciones tales que no influyen la cine-mática de la ruptura del macizo rocoso. Desgraciadamente, este no es el caso del macizo rocoso primario de Mina El Teniente.

(6) Si se acepta como hipótesis básica, como en este trabajo, que el macizo rocoso está forma-

do por bloques; entonces, en base a la evaluación de los resultados de ensayos sobre mode-los constituidos por bloques que se han publicado en la literatura, se puede concluir que

30 Las escalas de aplicabilidad que se indican en Tabla 6.3 corresponden a una estimación del autor de este informe, ya que en la

gran mayoría de los trabajos citados en dicha tabla no se indica explícitamente la escala de aplicabilidad.




eventuales desplazamientos de estos bloques pueden llegar a tener una notable influencia en la resistencia del macizo rocoso. Por lo tanto, resulta conveniente el poder definir “a priori” si pueden ocurrir estos desplazamientos y para esto se acepta la validez del Teorema de Shi (ver Sección7 , página 41).

(7) Se propone el siguiente modelo mecánico conceptual para el macizo rocoso primario de Mina

El Teniente (ver Sección 8, páginas 41 a 49) :

• El macizo rocoso primario corresponde a un volumen de material conformado por blo-ques, cuya geometría y distribución de tamaños quedan definidos por las estructuras geológicas, las cuales inicialmente se encuentran selladas y con rellenos menos com-petentes que su roca de caja (ver Figura 8.9 de página 46).

• Las características mecánicas del macizo rocoso dependerán de la escala de éste (ver Tabla 4.1 de página 22), y también de las características geométricas de la cavidad subterránea que define el problema que se considere, ya que ésta define el EP que posibilita la ocurrencia de inestabilidades de bloques y, al mismo tiempo, define el po-sible control estructural sobre la cinemática de la falla o ruptura del macizo rocoso.

• Conforme con lo anterior, es el problema a analizar el que define la escala del macizo rocoso y su comportamiento mecánico; y, la escala del macizo rocoso define, a su vez, el orden de las discontinuidades que pueden ser “incorporadas” al macizo rocoso y, también, el orden de aquellas discontinuidades que no pueden ser incorporadas al macizo rocoso y que deberán ser tratadas en forma individual (ver Tabla 5.1 en página 24 y Tabla 8.1 de página 47).

• El comportamiento mecánico del macizo rocoso presentará direcciones “predominan-tes”, las cuales quedan definidas por las estructuras presentes en el macizo y, tam-bién, por la cavidad subterránea que define el EP. Estas direcciones “predominantes” de comportamiento son de 2 tipos : direcciones “predominantes primarias”, que de-penden únicamente del arreglo estructural del macizo rocoso, y direcciones “predomi-nantes secundarias”, que dependen del arreglo estructural y de la cavidad subterránea del problema considerado. Las direcciones “predominantes primarias” quedan defini-das por las direcciones más débiles que son propias del arreglo estructural presente en el macizo rocoso, independientemente de la cavidad subterránea que se considere, y son las siguientes : las direcciones de las normales a cada uno de los sistemas es-tructurales (definen direcciones de mínima resistencia en tracción), y la dirección de mínima resistencia al corte, definida como la dirección opuesta a la dirección de máxi-ma resistencia al corte del macizo rocoso. Esta última se puede definir, de acuerdo a Talobre (1967), como la dirección tal que pasa por todos los conos de fricción asocia-dos a las normales de las estructuras presentes en el macizo rocoso (esta es la direc-ción de máxima resistencia, y su opuesta es la dirección de mínima resistencia). Estas direcciones “predominantes primarias” son “propias” o “inherentes” al “material”, por lo que corresponderían a las direcciones a escoger para definir el sistema de ejes que caracteriza la geofábrica unitaria del material. Dado que no necesariamente son orto-gonales, se sugiere el considerar sistemas similares a los utilizados en cristalografía para caracterizar esta geofábrica unitaria. Las direcciones “predominantes secunda-rias” dependen no sólo del arreglo estructural sino que también del EP, definido por la cavidad del problema analizado. Estas direcciones secundarias corresponden a la dirección de los desplazamientos factibles, los cuales dependerán del arre-glo estructural (que define los bloques), de la geometría de la cavidad subte-rránea (que define hacia donde se puede mover el material), y de las fuerzas




actuantes sobre el macizo rocoso (usualmente la gravedad). • Si las direcciones “predominantes secundarias” no coinciden con modos de falla cine-

máticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea, entonces el macizo rocoso puede considerarse como un medio continuo isotrópico o anisotrópico, dependiendo de las direcciones “predominantes primarias”. En este caso, se sugiere utilizar el criterio generalizado de Hoek-Brown pa-ra definir la resistencia del macizo rocoso, considerando que éste es masivo y que su ruptura se define por el inicio de la generación de fracturas (e.g. ver Hoek & Brown (1997), Karzulovic (1997)).

• Si las direcciones “predominantes secundarias” coinciden con modos de falla cinemá-

ticamente admisibles para los bloques removibles que define en el macizo rocoso la cavidad subterránea29, entonces el macizo rocoso NO puede considerarse como un medio continuo, ya que su falla o ruptura ocurrirá como desplazamientos de bloques que se desprenden del macizo. En este caso será preciso proceder de la siguiente manera :

− Definir los potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman & Shi (1985)). − Analizar la estabilidad de dichos potenciales bloques críticos (e.g. ver Goodman

(1995)). En este caso, sólo son relevantes las propiedades de las estructuras que definen los bloques.

− Los bloques críticos fallarán (a menos que se coloque oportunamente una fortifi-

cación adecuada), modificando la geometría de la cavidad subterránea y, por consiguiente, el EP.

− Deberá repetirse este análisis para la nueva cavidad.

• Finalmente deberá considerarse, en forma individual y explícita, si dentro del volumen

de material considerado como macizo rocoso existen las condiciones que hagan plau-sible la ocurrencia de modos adicionales de falla, cual el caos de un mecanismo tipo “kink band”. Las condiciones que facilitan este tipo de inestabilidades corresponden a la presencia, en el interior del macizo, de cuerpos filonianos dentro de los cuales el tamaño de los bloques es menor que el tamaño típico predominante en el resto del macizo rocoso (e.g. dique de guijarros, dique de lamprófido, etc.).

El modelo mecánico aquí propuesto para el macizo rocoso primario es un modelo conceptual

y la factibilidad práctica de su aplicación sólo podrá determinarse empleándolo para estudiar algún caso específico; por lo tanto, se recomienda que en las siguientes etapas de este estudio se proceda a :









SANTIAGO, 31 de Julio de 1997

Antonio Karzulovic L. Ingeniero Civil, Ph.D.

A. Karzulovic & Asoc. Ltda.




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