clasificacion q barton

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C C C a a a p p p í í í t t t u u u l l l o o o 7 7 7 : : : C C C L L L A A A S S S I I I F F F I I I C C C A A A C C C I I I O O O N N N E E E S S S G G G E E E O O O M M M E E E C C C Á Á Á N N N I I I C C C A A A S S S 7.1. Introducción 7.1. Introducción Las clasificaciones geomecánicas constituyen actualmente un método fundamental para la caracterización geomecánica de los macizos rocosos ya que permiten obtener parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo y estimar los sostenimientos de un túnel. Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en túneles son la RMR y la Q. Si bien ambas fueron desarrolladas para estimar sostenimientos, el parámetro RMR se ha ido consolidando como un índice geomecánico para la evaluación de las propiedades del macizo rocoso, usándose igualmente para la evaluación del sostenimiento. 2

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7.1. Introducción

77..11.. IInnttrroodduucccciióónn

Las clasificaciones geomecánicas constituyen

actualmente un método fundamental para la

caracterización geomecánica de los macizos rocosos ya

que permiten obtener parámetros de resistencia y

deformabilidad del macizo y estimar los sostenimientos

de un túnel.

Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en

túneles son la RMR y la Q. Si bien ambas fueron

desarrolladas para estimar sostenimientos, el

parámetro RMR se ha ido consolidando como un índice

geomecánico para la evaluación de las propiedades del

macizo rocoso, usándose igualmente para la evaluación

del sostenimiento. 2

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7.2. Clasificación Q

77..22.. CCllaassiiffiiccaacciióónn QQ

Desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir

del estudio de un gran número de túneles, constituye

un sistema de clasificación de macizos rocosos que

permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y

diseñar sostenimientos para túneles y cavernas

subterráneas. El índice Q está basado en una

evaluación numérica de seis parámetros dados por la

expresión:

Donde:

Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF

Jn = índice de diaclasado que indica el grado de

fracturación del macizo rocoso.

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7.2. Clasificación Q

Jr = índice de rugosidad de las discontinuidades

o juntas.

Ja = índice que indica la alteración de las

discontinuidades.

Jw = coeficiente reductor por la presencia de agua.

SRF (stress reduction factor) = coeficiente que tiene en

cuenta la influencia del estado tensional del macizo

rocoso.

Los tres factores de la expresión representan:

(RQD/Jn): el tamaño de los bloques

(Jr/Ja) : la resistencia al corte entre los bloques

(Jw/SRF): la influencia del estado tensional 4

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7.2. Clasificación Q

El índice Q obtenido varía entre 0,001 y 1.000, con la

siguiente clasificación del macizo rocoso:

Entre 0,001 y 0,01: roca excepcionalmente mala

0,01 y 0,1: roca extremadamente mala

0,1 y 1: roca muy mala

1 y 4: roca mala

4 y 10: roca media

10 y 40: roca buena

40 y 100: roca muy buena

100 y 400: roca extremadamente buena

400 y 1.000: roca excepcionalmente buena

EJEMPLO:

Una cámara de chancadoras de 15 m de vano 5

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7.2. Clasificación Q

(abertura) para una mina subterránea va a ser excavada

en norita a una profundidad de 2,100 m debajo de la

superficie. El macizo rocoso contiene dos familias de

juntas que controlan la estabilidad. Estas juntas son

onduladas, rugosas y no están meteorizadas,

presentando manchas de óxido de poca importancia en

la superficie. Los valores RQD varían entre 85% y

95% y los ensayos de laboratorio sobre muestras de

testigos de roca intacta arrojan una resistencia a la

compresión simple promedio de 170 MPa. Las

direcciones del esfuerzo principal son aproximadamente

verticales horizontales y la magnitud del esfuerzo

principal horizontal es de aproximadamente 1.5 veces la

del esfuerzo principal vertical. El macizo rocoso está

localmente húmedo pero no presenta evidencias de flujo

de agua. 6

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7.2. Clasificación Q

SOLUCIÓN:

Para una profundidad por debajo de la superficie de

2100 m, el esfuerzo de sobrecarga será

aproximadamente:

σ2 = 2100 m * 2.7 ton/m3 * (1 Mpa/100 ton/m2)

= 56.7 MPa (esfuerzo principal vertical)

σ1 = 56.7 MPa * 1.5 = 85 MPa (esfuerzo principal horizontal)

La magnitud del esfuerzo principal horizontal es de

aproximadamente 1.5 veces la de esfuerzo principal

vertical.

σC/σ1 = (170 Mpa/85 Mpa) = 2 7

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7.2. Clasificación Q

Z = 2100 m

σ2

σ1

Cámara de chancadora

Esfuerzos principales:

σ2

σ1

σ1 > σ2 > σ3

σ3

8

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II I CC CAA ASS S Tabla 3.6 Clasificación de parámetros individuales utilizados en el

Índice de Calidad de Excavación de Túneles Q (Según

Barton et al.1974)

DESCRIPCIÓN

VALOR

NOTAS

1. ÍNDICE DE CALIDAD DE ROCA

RQD (%)

1. Cuando se obtienen valores del RQD inferiores o iguales a 10, se toma un valor de 10 para calcular el índice Q.

2. Los intervalos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, 90 etc., tienen suficiente precisión.

A. Muy mala 0-25

B. Mala 25-50 C. Regular 50-75 D. Buena 75-90

E. Excelente 90-100 2. NUMERO DE FAMILIAS DE

JUNTAS

Jn

NOTAS

A. Masivo o con pocas juntas 0.5-1.0

1. En intersecciones de túneles se utiliza la expresión (3.0 x Jn)

2. En las bocaminas de los túneles se utiliza la expresión (2.0 x Jn)

B. Una familia de juntas 2 C. Una familia de juntas + una

aislada

3

D. Dos familias de juntas 4 E. Dos familias de juntas + una

aislada

6

F. Tres familias de juntas 9 G.Tres familias y algunas juntas

aleatorias

12

H. Cuatros familias, juntas aleatorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc.

15

I. Roca triturada, terrosa. 20

9

Page 9: Clasificacion Q barton

3. RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS Jr

1. Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeña escala y a escala intermedia, por este orden.

a) Contacto con las paredes b) Contacto con las paredes antes de un corte

de 10 cm

A. Juntas sin continuidad 4 B. Rugosa e irregulares, onduladas 3 C. Lisa, ondulantes 2 D. Pulidas, ondulantes 1.5 E. Rugosas o irregulares, planares 1.5 F. Lisas, planares 1.0 G. Pulidas, planares 0.5 c) Sin contacto con roca después de corte de

10 cm

1. Si el espaciado de la principal familia de discontinuidades es superior a 3m, se debe aumentar el índe Jr, en una unidad.

2. En el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que presenten lineaciones, y que dichas lineaciones estén orientadas según la dirección de mínima resistencia, se puede utilizar el valor Jr=0,5..

H. Zonas que contienen minerales arcillosos, de espesor suficiente para impedir el contacto de paredes.

1.0

I. Zona arenosa, gravosa o de roca triturada, de espesor suficiente para impedir el contacto de paredes.

1.0

4. ALTERACIÓN DE LAS JUNTAS Ja φr, grados aproximadamente

a) Contacto con las paredes de roca 1. Los valores de φr, ángulo de fricción residual, dan una guía aproximada de las propiedades mineralógicas de los productos de alteración, si éstos están presentes.

A. Relleno soldado, duro, inablandable, impermeable.

0.75

B. Paredes de juntas inalteradas, sólo con manchas de oxidación.

1.0

(25°-30°)

C. Paredes ligeramente alteradas, con recubrimiento de minerales inablandables, partículas arenosas, roca desintegradazo no arcillosa.

2.0

(25°-30°)

D. Recubrimientos limosos o arenoso- arcillosos, con una pequeña fracción de arcilla (inablandable).

3.0

(20°-25°)

E. Recubrimientos ablandables o con arcilla de baja fricción o sea kaolinita o mica. También clorita, talco, yeso, grafito, etc., y pequeñas cantidades de arcillas expansivas (recubrimiento discontinuo de 1-2 mm de espesor menos)

4.0

(8°-16°)

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b) Contacto con las paredes antes

de un corte de 10 cm

Ja

φr

NOTAS

F. Partículas arenosas, roca

desintegrada, sin arcilla, etc.

4.0

(25°-30°)

G. Rellenos de minerales arcillosos muy sobreconsolidados e

inablandables (continuos <5 mm

de espesor)

6.0

(16°-24°)

H. Rellenos de minerales arcillosos

de sobreconsolidación media a

baja (continuos <5 mm de

espesor)

8.0

(12°-16°)

I. Rellenos de arcilla expansiva, o

sea montmorillonita (continuos <5 mm de espesor). El valor Ja

depende del porcentaje de

partículas expansivas del tamaño

de arcilla y del acceso al agua.

8.0-12.0

(6°-12°)

c) Sin contacto de las paredes

después del corte

Ja

φr

NOTAS

J. Zonas o capas de roca

desintegrada o triturada y

6.0 Nota:

Los valores expresados para los parámetros Jr y Ja de

aplican a las familias de diaclasas que son menos favorables con relación a la estabilidad, tanto por la orientación de las mismas como por su resistencia al

corte (esta resistencia puede evaluarse mediante la expresión: T ~ σn tg

-1(Jr/Ja).

K. arcilla (ver G, H e I para las condiciones de la

8.0

L. arcilla) 8.0-12.0 (6°-24°) M.Zonas o capas de arcilla limosa o

arenosa, pequeña fracción de arcilla (inablandable).

5.0

N. Zonas o capas gruesas y

continuas de arcilla.

10.0-13.0

O. (ver G, H, I para las condiciones de la arcilla)

6.0-24.0

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5. REDUCCIÓN POR AGUA EN LAS JUNTAS

Jw Presión aproximada del Agua (Kgf/cm2)

A. Excavación seca o flujos bajos (<5 L/min localmente)

1.0

<1.0 Nota: 1. Los factores C hasta F son estimaciones imprecisas. Aumentar

Jw, si se instala drenaje. 2. Los problemas especiales causados por la presencia de hielo

no se toman en consideración.

B. Flujo o presión medios, con lavado ocasional de los rellenos.

0.66

1.0-2.5

C. Gran flujo o presión alta en roca competente con juntas sin relleno.

0.5

2.5-10.0

D. Gran flujo o presión alta, lavado considerable de los rellenos.

0.33

2.5-10.0

E. Flujo o presión excepcionalmente altos con las voladuras, disminuyendo con el tiempo.

0.2-0.1

>10

F. Flujo o presión excepcionalmente altos en todo momento.

0.1- 0.05

>10

12

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6. FACTOR DE REDUCCIÓN DE ESFUERZOS

SRF

NOTAS

a) Zonas de debilidad que

intersectan la excavación y

pueden ser las causas de que el

macizo se desestabilice se

construya el túnel.

1. Reducir estos valores del SRF en un 25-50%, si las zonas de corte

relevantes influencian pero no intersectan la excavación.

13

A. Múltiples zonas de debilidad con

contenido de arcilla o roca

químicamente desintegrada; roca

circundante muy suelta (cualquier

profundidad).

10.0

B. Zonas de debilidad aisladas que

contengan arcilla o roca

químicamente desintegrada

(profundidad de excavación

<50m).

5.0

C. Zonas de debilidad aisladas que

contengan arcilla o roca

químicamente desintegrada

(profundidad de excavación

>50m).

2.5

D. Múltiples zonas de corte en roca

competente (sin arcilla), roca

circundante suelta (cualquier

profundidad).

7.5

E. Zonas de corte aisladas en roca

competente (sin arcilla) (profundidad de excavación

<50m).

5.0

F. Zonas de corte aisladas en roca

competente (sin arcilla)

(profundidad de excavación

>50m)

2.5

G.Juntas abiertas sueltas, fisuración

intensa (cualquier profundidad)

5.0

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b) Roca competente, problemas de esfuerzos

σc/σ1

σt/σ1

SRF NOTAS

A. Esfuerzo bajo, cerca de la superficie.

>200

>13

2.5

2. Para un campo de tensiones muy anisotrópico (si

es medido): cuando 5Uσ1/σ3U10, reducir σc a 0.8σc

y σt a 0.8 σt donde:

σc resistencia a la compresión sin confinar

σt =resistencia a la tracción (carga puntual)

σ1 y σ3 = esfuerzos principales mayor y menor.

B. Esfuerzo medio 200-10 13-0.66 1.0

C. Esfuerzo elevado, estructura muy cerrada, generalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de las paredes.

10-5

0.66-0.33

0.5-2

D. Estallido de roca moderado (roca masiva)

5-2.5

0.33-0.16

5-10

E. Estallido de roca intenso (roca masiva).

<2.5

<0.16

10-20

c) Roca compresiva, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de presiones altas de roca.

NOTAS

A. Presión moderada de roca extrusiva o

5-10

3. Hay pocos registros de casos donde la profundidaddel techo debajo de la superficie sea menor que el ancho. Se sugiere que se incremente el SRF de 2.5 a 5 para esos casos (ver H).

B. Presión alta de roca extrusiva 10-20

d) Roca expansiva, acción química expansiva, dependiendo de la presencia de agua

A. Presión moderada de roca expansiva

5-10

B. Presión alta de roca expansiva. 10-15

14

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7.2. Clasificación Q

La Tabla 3.6.6 muestra que, para roca competente

con problemas de esfuerzo, se puede esperar que este valor de σc/σ1 produzca fuertes condiciones de estallido

de la roca y que el valor SRF debe estar entre 10 y 20. Para este cálculo se asumirá un valor de SRF = 15. Utilizando estos valores se tiene:

Q = RQD * Jr * Jw = 90 * 3 * 1 = 4.5

Jn Ja SRF 4 1 15

77..33.. SSoosstteenniimmiieennttooss aa ppaarrttiirr ddeell íínnddiiccee QQ

Para la estimación de los sostenimientos a partir de Q,

se definen los siguientes parámetros:

15

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7.2. Clasificación Q

a) Diámetro equivalente del túnel (De)

Para relacionar el valor del índice Q a la estabilidad y

requerimiento de sostenimiento de excavaciones

subterráneas, Barton et al (1974) definió un parámetro

adicional al que se denominó la Dimensión Equivalente

“De” de la excavación. Esta dimensión se obtiene

dividiendo el vano, diámetro o la altura de la pared de la

excavación entre una cantidad llamada la Relación de

Sostenimiento ESR. Entonces:

De = vano, diámetro o altura de la excavación (m)

ESR

b) Relación de sostenimiento de excavación (ESR) 16

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7.2. Clasificación Q

La estación de chancado yace dentro de la categoría de

excavaciones mineras permanentes (Tabla 1) y se le

asigna una relación de sostenimiento de excavación

ESR = 1.6.

En consecuencia, para un vano de excavación de 15 m,

la dimensión equivalente es:

De = 15/1.6 = 9.4

La “De” es utilizada para definir una serie de categorías de sostenimiento mediante un gráfico publicado en texto

original preparado por Barton et al (1974). Este gráfico

ha sido actualizado por Grimstad y Barton (1993) para

reflejar el uso progresivo del shotcrete reforzado con fibra de acero en el sostenimiento en el sostenimie17nto

de excavaciones subterráneas (Figura 1).

Page 17: Clasificacion Q barton

CATEGORÍA DE EXCAVACIÓN ESR

A Excavación mineras temporales 3-5

B Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para proyectos hidroeléctricos (excluyendo tuberías forzadas de alta presión), galerías, túneles piloto y galerías de avance.

1.6

C Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de agua, túneles menores para carreteras o vías férreas, cámaras de equilibrio, túneles de acceso.

1.3

D Estaciones de energía, túneles grandes para carreteras y vías férreas, refugios de defensa civiles, intersecciones de portales.

1.0

E Estaciones de energía nuclear subterráneas, estaciones ferroviarias, instalaciones deportivas y públicas, fábricas.

0.8

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7.2. Clasificación Q

De la Figura 1, un valor de “De” de 9.4 y un valor de Q

de 4.5 coloca a esta excavación para la chancadora

dentro de la categoría (4) la cual requiere de un patrón

de pernos de roca (espaciados 2.3 m) y 40 a 50 mm de

shotcrete no armado.

Tabla 1 Categoría de excavación

18

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Ancho o

Altura

en

ESR

m

De =

Longitud d

e los p

ern

os e

n

m

para

ESR=

1

7.2. Clasificación Q

100

Excepcionalmente

Mala

Extremadamente

Mala Muy Mala Mala Regular Buena Muy

Buena

2.5m

2.1m2.3m

Ext.

Buena

Exc.

Buena

20

50

1.0m 20

1.2m

1.3m

1.5m

1.7m 10

7

5

(9) (8) (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1)

4.0 m 10

3.0 m

5 2.0 m

1.5 m

3 2.4

2

1.0 m

1

1.3 m 1.5

0.004 0.01 0.04 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000

Calidad del Macizo Rocoso Q = RQD

x J r

x J w

Jn Ja SRF

Figura 1 Categorías de sostenimiento estimadas en base al índice

Q (Según Grimstad y Barton 1993) 19

Page 19: Clasificacion Q barton

con fibra, de 50-90 mm, y

con

fibra,

de

90-120

mm

y

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7.2. Clasificación Q

CATEGORÍAS DE REFUERZO:

1) Sin sostenimiento.

2) Empernado puntual.

3) Empernado sistemático.

4) Empernado sistemático con 40-100 mm de shotcrete

sin refuerzo.

5) Shotcrete reforzado

empernado.

6) Shotcrete reforzado

empernado.

7) Shotcrete reforzado con fibra, de 120-150 mm, y

empernado. 8) Shotcrete reforzado con fibras, >150 mm, con

cerchas reforzadas de shotcrete y empernado.

9) Revestimiento de concreto moldeado. 20

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7.2. Clasificación Q

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

Page 21: Clasificacion Q barton

1 15

de

Q, para

una

dimensión

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7.2. Clasificación Q

Loset (1992) sugiere que, para rocas con 4 < Q < 30, los

daños por voladura producirán, la creación de nuevas

"juntas" con una consiguiente reducción local en el valor

de “Q” para la roca que circunda la excavación. Se

sugiere que esto puede justificarse reduciendo el valor

de RQD para la zona dañada por la voladura.

Asumiendo que el valor de RQD para la roca

descomprimida alrededor de la cámara de

chancadoras baja al 50 %, el valor resultante de Q es:

Q = RQD * Jr * Jw = 50 * 3 * 1 = 2.5

Jn Ja SRF 4

De la Figura 1, este valor

equivalente “De” de 9.4, pone a la excavación

2j2usto dentro de la categoría (5) la cual requiere de pernos de

Page 22: Clasificacion Q barton

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7.2. Clasificación Q

roca, espaciados aproximadamente 2 m, y una capa

gruesa de 50 mm de shotcrete reforzado con fibra de

acero.

c) Longitud de pernos (L)

Barton et al (1980) proporciona información adicional

acerca de la longitud de los pernos, la longitud “L” de los

pernos de roca pueden estimarse a partir del ancho de

excavación “B” y la Relación de Sostenimiento de la

Excavación ESR:

L = 2 + 0.15B

ESR

d) Máximo vano sin sostener (longitud pase) 23

Page 23: Clasificacion Q barton

CC Caa app píí í tt t

uu ull l oo o

77 7:: :

CC CLL LAA ASS SII I FF F

II I CC CAA ACC CII I OO O

NN NEE ESS S GG G

EE EOO O

MM MEE ECC C

ÁÁ ÁNN N

II I CC CAA ASS S

7.2. Clasificación Q El ancho de luz máxima sin sostenimiento puede

estimarse a partir de:

Ancho o luz máxima (sin sostenimiento)=2 ESR Q0.4 (m)

e) Carga de roca sobre el techo (Pr) (kp/cm2)

En base a los análisis de los registros de casos,

Grimstad y Barton (1993) sugirieron que la relación

entre el valor de “Q” y la presión de sostenimiento

permanente del techo “Pr” es estimada a partir de:

Pr = 2 Jn Q-1/3 Para macizos con menos de tres familias de discontinuidades

3 Jr

Pr = 2 Q-1/3 Para macizos con tres o más familias de discontinuidades

Jr 24

Page 24: Clasificacion Q barton

Ph

=

5Q

< 10 Ph = 2.5Q

Ph = Q

CC Caa app píí í tt t

uu ull l oo o

77 7:: :

CC CLL LAA ASS SII I FF F

II I CC CAA ACC CII I OO O

NN NEE ESS S GG G

EE EOO O

MM MEE ECC C

ÁÁ ÁNN N

II I CC CAA ASS S

7.2. Clasificación Q

f) Carga de roca en hastiales (Ph) (kp/cm2)

Para Q >10

Para 0.1 < Q

Para Q < 0.1

25