Caracterización del Medio Rocoso, Parámetros Geomecánicos y dos Clasificaciones Geomecánicas Principales

Por: Federico Vogel González, Ricardo Marín Herrera, Juan J. Martínez Reyes, Víctor M. Quezada Aguilera.

Resumen
El presente trabajo, muestra la importancia de los parámetros geomecánicos y como se relacionan con las clasificaciones geomecánicas para estimar un índice de valoración en los macizos rocosos. Las propiedades geomecánicas están determinadas por la interacción de las propiedades propias de la roca y por las condiciones del medio en cuestión y/o del área en la que se realiza el estudio o el tipo de obra de ingeniería.

El trabajo se centra en los parámetros geomecánicos y las clasificaciones geomecánicas de macizos rocosos que se utilizan para calificar de manera cuantitativa la calidad geotécnica que presenta una clase de macizo rocoso.

Tener un parámetro para efectos de diseño del sostenimiento-refuerzo de las obras de ingeniería o de minería dentro de los macizos rocosos.

Se presenta una revisión de la metodología seguida en la elaboración de las Clasificaciones Geomecánicas, así como de los principales factores geológicos que son empleados como parámetros para cada una de ellas y de manera general se presenta su aplicación a los sistemas de sostenimiento.

Se muestra como las clasificaciones geomecánicas, utilizan los parámetros geológicos para lograr la evaluación de los macizos rocosos. Las clasificaciones geomecánicas proveen una guía para la selección de los refuerzos en roca para las obras de ingeniería analizadas.

Se han seleccionado sobre la base de su mayor aplicación, mayor uso, mayor practicidad y sus características específicas dos clasificaciones geomecánicas: la metodología o índice del Rock Mass Rating (RMR), y la metodología del Rock Mass Quality índice Q, son resumidas sus principales características en varias tablas. Por otro lado, también es posible determinar con las clasificaciones geomecánicas la ausencia o presencia de sostenimiento, usando los resultados obtenidos de la evaluación del índice de calidad de roca.

Palabras clave: Mecánica de rocas, geomecánica, clasificaciones geomecánicas, macizo rocoso, rocas.

Introducción
El conocimiento de las propiedades de las rocas permite en las obras de ingeniería tomar las decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las operaciones y la estabilidad de las obras realizadas, a fin de estar en capacidad de identificar situaciones de riesgo y generar un ambiente adecuado de trabajo.

De acuerdo con lo expuesto por González, et. al (2002) el macizo rocoso (MR) es el conjunto de los bloques de matriz rocosa y de las discontinuidades de diversos tipos que afectan al medio rocoso, es decir presentan dos elementos geológicos fundamentales: la matriz rocosa y las discontinuidades. La matriz rocosa es el material rocoso y que en geología se distinguen los tres grupos principales: ígneas, metamórficas y sedimentarias, que se presentan exentos de discontinuidades o los bloques que quedan entre ellas “roca intacta”; mientras la discontinuidad es cualquier plano de origen sedimentario o mecánico que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en un macizo rocoso. El número de factores geológicos que influyen sobre el comportamiento mecánico de un macizo rocoso es muy variado y elevado, por lo que las clasificaciones utilizan los parámetros más relevantes para ello.

Las clasificaciones geomecánicas proveen una guía para la selección de los refuerzos en roca para las obras de ingeniería analizadas. Los resultados de las clases geomecánicas pueden ser utilizados en los proyectos, en el diseño del tipo de excavación y sostenimiento; permitir una menor subjetividad en la determinación de la calidad del macizo rocoso.

Las clasificaciones geomecánicas para la evaluación de los macizos rocoso utilizan parámetros geológicos y les confieren un índice cuantitativo de aquellas a las que se les realiza una valoración cualitativa y cuantitativa en campo y/o laboratorio. También las clasificaciones geomecánicas incorporan una mayor cantidad de aspectos geológicos, estructurales, estratigráficos, litológicos y en general geomecánicos, de la realidad en la elaboración de los índices de las clases del MR.

Para el caso del Índice Q, fue deducido después de analizar 200 excavaciones subterráneas en macizos rocosos de diferentes características litológicas y estructurales; mientras que el RMR para su desarrollo se estudiaron 49 excavaciones en un principio y se modificó posteriormente al analizar otras obras de ingeniería.

En la parte inferior se muestran para ilustrar los conceptos a manera de ejemplo, la distinción entre estos elementos geológicos que componen los macizos rocosos, las obras de ingeniera y algunos de los sistemas de sostenimiento.

Figura 1.- A. Diagrama que muestra la transición de roca intacta al macizo rocoso. B. Macizo rocoso y discontinuidades. Fuente: Ayala F.J. y Andreu F.J. 1991.

De acuerdo con Terzagui (1946), Bieniawski (1973), Barton (1974, 1993), Bell (2007), con los índices de calidad del MR obtenidos se puede determinar la ausencia o presencia de uno o varios tipos de sostenimientos, comparando los resultados obtenidos.

Figura 2.- Ejemplos de obras de ingeniería en MR. A. Macizo Rocoso Sedimentario en una cantera Orizaba, Veracruz. B. Macizo rocoso estratificado Qro. C. Túnel con marcos, Gto. D. Ilustración de Refuerzos.

Objetivos y metodología
Algunos de los principales objetivos son listados a continuación y están relacionados con distintos tipos de macizos rocosos, se analizan dos de las principales clasificaciones geomecánicas de mayor utilización.

Permitir la distinción de forma ingenieril entre los diferentes tipos de macizos rocosos (MR) que se puedan presentar dentro de una obra determinada.

Calificar de manera cuantitativa la calidad geotécnica que presente un macizo rocoso. Tener un parámetro para efectos de diseño del sostenimiento-refuerzo de las obras de ingeniería o de minería.

Mostrar las principales clasificaciones geomecánicas, así como también, las diferencias que presentan cada una de ellas, y sobre todo familiarizar el uso que tienen y la practicidad que presenta el manejo de ellas en las clasificaciones geomecánicas.

Se busca mostrar los principales parámetros geomecánicos que presentan dos de las principales clasificaciones geomecánicas: RMR y Q, y mostrar sus valores, así como los pesos o cuantificaciones que presentan en cada clasificación.

Permite tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las operaciones mineras y de ingeniería, los esfuerzos que afectan las obras, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de las obras, los tipos de sostenimientos a utilizar y su momento y forma de aplicación.

Propiedades Geomecánicas
Los problemas ingenieriles del diseño estructural de excavaciones, ya sean subterráneas o a cielo abierto, que trata de resolver la ingeniería geológica y mecánica de rocas es la predicción del comportamiento mecánico del MR en una determinada obra o explotación minera sujeta a cargas que se le apliquen a lo largo de su vida operativa.

Las propiedades geomecánicas están determinadas por la interacción de las propiedades propias de la roca y por las condiciones del medio en cuestión, del área en la que se realiza el estudio y/o el tipo de obra de ingeniería (Figura 3).

Figura 3.- Propiedades Mecánicas de las rocas. La sumatoria de las propiedades de la roca y las propiedades del medio nos generan propiedades geomecánicas. Fuente: Propia.

Las propiedades geomecánicas permiten predecir el comportamiento mecánico de las rocas, podemos decir que las discontinuidades y los bloques de matriz rocosa constituyen en conjunto la estructura rocosa y gobiernan el comportamiento global del macizo rocoso; las clasificaciones geomecánicas consideran varios parámetros en los cuales puede predominar uno u otro componente en función de sus propiedades relativas, entre los que se pueden considerar los siguientes (Tabla 1).

Tabla 1.- Principales Parámetros Geomecánicos.

Es necesario considerar que no todos los parámetros geomecánicos son utilizados por las clasificaciones geomecánicas, cada clasificación geomecánica trabaja con un grupo de parámetros a los cuales les proporciona cierto peso, los que se conjugan para lograr un índice que evalúa el macizo rocoso.

Los problemas ingenieriles del diseño estructural de excavaciones, ya sean subterráneas o a cielo abierto, que trata de resolver la ingeniería geológica en una determinada obra o explotación minera sujeta a cargas que se le apliquen a lo largo de su vida operativa.

Principales Clasificaciones Geomecánicas
Las clasificaciones geomecánicas no tienen muchos años de aplicarse, en 1946 (Terzaghi) propuso un sistema de clasificación de roca para calcular las cargas que deben soportar los marcos de acero en túneles de los Alpes y minas de carbón, años más tarde en los años ’70s (Bieniawski, Barton) proponen una metodología para evaluar la competencia de roca en túneles de diferente tamaño y macizos rocosos.

No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo de la roca que rodea una excavación, es necesario realizar una combinación de varios factores “propiedades geomecánicas” para lograr un índice del comportamiento de los macizos rocosos.

Se han realizado varios estudios en los que se aconseja entre otros puntos, se logre dividir los macizos rocosos en grupos de comportamiento parecido y proporcionar una buena base para la comprensión de las características del MR.

A la fecha son dos los métodos que más se han generalizado en las aplicaciones geotécnicas, la primera conocida como Índice RMR y la otra conocida como Índice Q, (Tabla 2). Cada clasificación presenta una serie de parámetros a los cuales les confiere un determinado valor, que se conjugan para lograr el índice en cuestión. A mayor valor presente este índice el macizo rocoso será de una mejor calidad.

Tabla 2.- Principales Clasificaciones Geomecánicas.

Como veremos, los datos de entrada de las clasificaciones geomecánicas se basan en descripciones de los parámetros geomecánicos que se presentan en el MR y a estos parámetros se le asignan valores numéricos asignados de acuerdo a su carácter.

El RMR
La metodología del RMR fue desarrollada por Bieniawski durante los años 1973, 1989, sufriendo varias modificaciones, última en 1993 que es la presentada con los parámetros y valores mostrados en la tabla inferior.

A continuación se enlistan los principales parámetros que agrupa cada clasificación para generar su índice determinado. Se muestran los principales factores que son utilizados en esta clasificación y su valoración de cada una. Las clasificaciones geomecánicas tienen también aplicaciones en la estabilización de túneles, una de las más antiguas (Terzaghi, 1946), taludes, cimentaciones y obras de ingeniería en general (Muir W., 2000; Ortigao y Sayao, 2004).

Tabla 3.- Principales factores del RMR y sus rangos de valores.

Al aplicarse el RMR, la masa rocosa se divide en un cierto número de regiones estructurales de manera que varios rasgos son comunes o característicos de cada región.

La representación matemática del RMR es la siguiente.

RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B………..…. Ecuación.1

En la siguiente tabla se puede apreciar la relación entre los valores del RMR y relación con la calidad de los macizos rocosos.

Tabla 4.- Relación entre los valores del RMR y la Calidad de los Macizos Rocosos.

Una vez se han realizado los ajustes para la orientación de las discontinuidades, la roca se clasifica de acuerdo con lo indicado en la tabla, el valor del RMR puede variar de 0 a 100, dividiéndose el rango en cinco categorías. Los soportes están en función de la categoría determinada, clase I con MR de excelente calidad pueden no llevar soporte, en tanto que clases de MR IV-V tendrán que aplicarles tres o más tipos de sostenimiento.

El Método del Q.
Esta metodología para clasificar la competencia de los MR fue dada a conocer en Barton et al. (1974-1993), por otro lado, Hoek y Brown (1980), realizan una descripción muy amplia del método, en resumen podemos decir que son considerados en el método seis parámetros geomecánicos que incluyen la competencia de la roca, las condiciones de las discontinuidades, las infiltraciones de agua y el estado de los esfuerzos que afectan la obra en cuestión. El Q se define por medio de la siguiente igualdad.

Q= RQD/Jn * Jr/Ja * Jw/SRF ……….… Ecuación.2

En la ecuación anterior, los parámetros de la expresión son:

RQD= índice de recuperación modificada.
Jn= número de juegos de discontinuidades.
Jr= grado de aspericidad o rugosidad de discontinuidades o fracturas.
Ja= grado de alteración de la matriz rocosa.
Jw= actor reductor por filtraciones o flujo de agua.
SRF= factor reductor por esfuerzos en el MR.

En la tabla inferior se presentan las categorías principales en que se subdividen los macizos rocosos de acuerdo al Q.

Tabla 5.- Categorías de macizos rocosos (MR) de acuerdo al Q.

Son nueve las categorías principales en las que se subdivide y siete Clases de Roca, desde la clase buena (A) a la clase excepcionalmente de mala calidad (G). Los tipos de soportes están en función de los valores del Q, para valores bajos será necesario varios tipos de soporte mientras que valores altos emplearán poco soporte o ninguno. En los dos casos en estudio, puntuaciones altas conducen a masas rocosas competentes, mientras que bajas indican MR débiles.

Relación RMR-Q.
La relación entre el RMR-Q y las clases de MR, se presentan en el trabajo y fueron agrupadas de acuerdo las categorías de soporte del Q, agrupando 8 categorías por cada clase de MR y la de menor calidad se determinó en 6 categorías (Tabla 6).

Tabla 6.- Relación del MR y Q. Ajustadas las clases de MR del Q según categorías de soporte.

Las interrelaciones entre el RMR y Q, Bieniawski (1984) a partir de 111 casos históricos establece la siguiente fórmula para determinar la correlación entre las clasificaciones:

RMR= 9 * log. neperiano Q + 44 .……….… Ecuación.3

De igual forma, sin entrar en detalle se puede tener una estimación del tipo de soporte necesario de acuerdo con la clase de MR, los características del tipo de soporte se debe calcular detalladamente.

Tabla 7.- Correlación RMR-Q. Correlación y generalización de los tipos de soporte para el MR; anclas (A), concreto lanzado (Cl), malla (M), marcos de acero (Ma), marcos de concreto (Mc).

Para la determinación del soporte, es conveniente seleccionar el sostenimiento para excavaciones subterráneas del índice Q, Barton (1974) propone 38 categorías de sostenimiento, las cuales deben ser aplicadas para determinar el soporte a utilizar.

Conclusiones

En el escrito se describen dos de las principales clasificaciones geomecánicas (Índice RMR; Índice Q), métodos de clasificación Geomecánica para la caracterización de los macizos rocosos y la determinación de los soportes o sostenimientos en obras de ingeniería.
Las clasificaciones geomecánicas, dividen el MR en grupos de comportamiento similar y proporcionan una base para la comprensión de las características del MR. Facilitan la planeación y el diseño de estructura en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problema de ingeniería y proporcionan una base común de comunicación efectiva para los involucrados en las obras de ingeniería geotécnica.
Las clasificaciones RMR y Q, proporcionan estimaciones realistas para la generación de los modelos geomecánicos y para aplicar el o los tipos de soporte que se necesitan en determinadas obras de ingeniería.
En el método del RMR, los macizos rocosos presentan valores que pueden variar de 0 a 100, dividiéndose el rango en cinco categorías. Los soportes están en función de la categoría determinada, por ejemplo Clase I con macizos rocosos de excelente calidad pueden no llevar soporte, mientras que clase de MR IV-V tendrán que aplicarles dos o más tipos de sostenimiento.
El método del Q presenta nueve categorías principales en las que se subdivide con valores numéricos del 0.001-1000 y siete Clases de Roca, desde la clase buena (A) a la clase excepcionalmente de mala calidad (G). Los tipos de soportes están en función de los valores del Q, para valores bajos será necesario mucho soporte mientras que valores altos emplearán poco soporte o ninguno.

Agradecimientos
Nuestro agradecimiento a la Universidad de Guanajuato por el apoyo prestado y un reconocimiento muy especial a la Asociación de Ingenieros de Minas, Metalurgistas y Geólogos de México por la oportunidad de brindarnos un espacio para la publicación del artículo y su constante apoyo a la difusión del conocimiento.

Referencias

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Bieniawski, Z.T. (1973). Engineering Classification of Jointed Rock Masses. The Civil Engineer in South Africa., 15, pp.335-344.
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Ortigao, J. A. R. y Sayao, A. (2004). Handbook of Slope Stabilisation Enginieering. Springer, Berlin.
Terzaghi K. (1946). Introduction to Tunnel geology. Proctor & T. L. White (Eds.), Rock Tunnelling with Steel supports (p.271). Youngstown, OH: Commercial Shearing & Stamping Co.

fvogel@ugto.mx
C. A. Ingeniería de Minas/Depto. de Ing. en Minas, Metalurgia y Geología./UG