8296_MATERIALDEESTUDIO-PARTEI

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INTERCADECONSULTANCY & TRAINING

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PLANEAMIENTO DE PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS

Ph. D. Carlos Agreda TurriateConsultor Intercade

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P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Introducción

En la actualidad, la industria minero-metalúrgica es

importante en el desarrollo del Perú; la cual atraviesa una

etapa de constante crecimiento debido a distintos

factores, tal es el caso de la gran demanda internacional

de metales que trae consigo el incremento de sus precios


de metales que trae consigo el incremento de sus precios,

mejoras tecnológicas tanto para el proceso de explotación

como en la etapa de tratamiento metalúrgico.

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Dentro de este proceso productivo, existen diferentes etapasantes, durante y después de la operación minera en general.Una de las más importantes está dentro de la etapa deexplotación: el ciclo de minado. Es aquí donde seencuentran las operaciones de perforación y voladura,siendo estas las primeras que se realizan en este ciclo.Teniendo en cuenta que la fragmentación obtenida como elproducto de las operaciones mineras unitarias binomiales deperforación y voladura es la variable aleatoria másimportante en todo complejo minero-metalúrgico; es que


importante en todo complejo minero metalúrgico; es quevarios investigadores a nivel mundial han dedicado su vida ainvestigar las operaciones mineras unitarias mencionadasanteriormente.

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Por otro lado, se sabe que las formas más frecuentes deatacar al macizo rocoso son las siguientes: Con la energía mecánica producida por la perforadora. Con la energía fisicoquímica producida por la detonación

de una MEC.En este módulo se describirá, analizará y discutirá el ataquemecánico al macizo rocoso por la operación minera unitariade perforación.Se debe mencionar que también existen otras metodologíaspara atacar al macizo rocoso: fuego, energía eléctrica ehid á li bt i d j lt d d f t ió


hidráulica; obteniendo mejores resultados de fragmentaciónde la roca con la energía físico-química producida por ladetonación de una MEC.

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PLANO TOPOGRAFICO


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Perforación

Voladura

Carguío y

Mineralin situ

Fragmentación

Fragmentación

DIAGRAMA CONCEPTUAL

N.º 1

M t ó l i bl Carguío y acarreo

Chancadora primaria

Conveyor

Chancadora

Transporte

Fragmentación

Transporte

Muestra cómo la variable

aleatoria fragmentación

interrelaciona a todas las

operaciones de un complejo

minero-metalúrgico.

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secundaria

Molienda

Siguientes etapas del procesamiento de

minerales

Fragmentación

Fragmentación

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PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION


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Para llevar a cabo el planeamiento de la perforación se

Introducción

PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION

Para llevar a cabo el planeamiento de la perforación, sedebe conocer al macizo rocoso en toda su dimensión en lossiguientes términos:

Mecánica de rocas Geomecánica Geología estructural, etc.


g ,

Como se sabe, el macizo rocoso es totalmente aleatorio;cuanto más se conozca el macizo rocoso, se obtendrámejores resultados: fragmentación de la roca.

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Modelo geológico

Modelo geomecánico

Modelomatemático

Características de la muestrade roca intacta

D i ió d l

Clasificaciones geomecánicas

Estado de la tensión de los

Análisis de tensiones

Relaciones tenso-Descripción de las

discontinuidades

Caracterización del macizorocoso

Sondajes

Hidrogeología

Métodos geofísicos

macizos rocosos

Resistencia de los macizos rocosos

deformacionales

Diseño de excavaciones

Diseño de los sistemas sostenimiento


Litología

Meteorización

Estructuras geológicas

Características geomecánicasde las discontinuidades, etc.

Calidad del macizo rocoso

Tensiones naturales

Propiedades mecánicas de lasdiscontinuidades

Propiedades mecánicas de losmateriales, etc.

Equilibrio límite

Modelos continuos

Modelos discontinuos

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Propiedades físicas

MECANICA DE ROCAS

Mecánica de rocas

Propiedades mecánicas

Teoría de fallas


fallas

Teoría de la elasticidad

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Las características físico-mecánicas del macizo rocoso semencionarán en forma general.

MECANICA DE ROCAS

Densidad

Propiedades físicas )/( 3mgDensidad VolumennaturalPeso

Gravedad específica (G)

Peso específico ()

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Porosidad (n)

Peso específico ()

Permeabilidad, etc.

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PROPIEDADES MECANICAS

Ensayo de compresión uniaxialEnsayo de carga puntualEnsayo de corte directoE l d t i ió d t t lá tiEnsayo para la determinación de constantes elásticasEnsayo de compresión triaxialEnsayo de tracción indirecta (brasilero)


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TEORIA DE LA ELASTICIDAD

La teoría de elasticidad aplicada para el diseño de estructuras rocosas

Para el diseño de estructuras rocosas, se ha venido

asumiendo las propiedades elásticas de la roca y llevar

acabo dicho análisis matemático basado en la teoría de la

elasticidad. Tales diseños a veces son exitosos, otros

parcialmente en caso de taludes y cimentaciones.


Por lo tanto, es muy importante definir los límites de

aplicabilidad de la teoría de la elasticidad para el diseño en

estructuras rocosas.

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Se ha mostrado por definición de la elasticidad que las

rocas no son puramente elásticas, pero que algunas tienen

propiedades deformacionales aproximadamente a la forma

cuasi elásticas particularmente algunas rocas cohesivas decuasi-elásticas, particularmente algunas rocas cohesivas de

grano fino y rocas masivas con bajos niveles de esfuerzos.

Por lo dicho anteriormente, se debe establecer el

conocimiento de que las rocas por naturaleza son

normalmente discontinuas, conteniendo varios tipos de

di ti id d ló i t t l (di l f ll


discontinuidades geológicas estructurales (diaclasas, fallas,

contactos, estratos, etc.) que además pueden contener

agua en cantidades variables.

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Para la determinación de los límites de la teoría de la

elasticidad, se debe tener en cuenta algunos factores de

las estructuras de la roca.

Sin embargo, generalmente se debe seguir ciertos

lineamientos ya establecidos.

Las estructuras rocosas cercanas a la superficie no

deberán ser tratadas como un medio elástico continuo,


,

no obstante que las propiedades del material rocoso

(muestra) pueden ser cercanamente elásticos, a menos

que esté presente un mínimo de discontinuidades.

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Para el criterio de diseño en un macizo rocoso, se debe

tener en cuenta la fricción y las discontinuidades

estructurales.

Las estructuras rocosas con algunas fracturas

cercanamente ubicadas no deberán ser tratadas como un

medio elástico continuo.

Las rocas con E < 5 x 105 kg/cm2 no deberán ser

id d di lá i d


consideradas como un medio elástico, excepto tomando

ciertas precauciones.

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E

El módulo de elasticidad de Young (E)

E: módulo de elasticidad o modulo de Young σ: esfuerzo

d f ió

CONSTANTES ELASTICAS

z

x

323

3,

KModulusBulk

: deformación

La relación Poisson () Índice de bulk o compresibilidad


Modulo de rigidez (G) Constante de Lame (λ)

)1(2

EG

)21)(1(

E

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TEORIA DE FALLAS

Para el presente curso, solo se mencionarán las teorías defallas propuestas por los investigadores, porque estas yahan sido estudiadas

Criterio de falla de Mohr (roca sin cohesión)Criterio de falla de CoulombCriterio de falla de Mohr-Coulomb

han sido estudiadas.

Cabe enfatizar que la teoría más usada es la de Hoek &Brown.


Criterio de falla de Mohr-CoulombCriterio de falla de GriffithCriterio de falla de Griffith (modificado)Criterio de falla de Hoek & Brown

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An empirical criterion of failure defined by the envelope to a series of Mohrs circles: A. direct tension; B. Brazilian; C.

unconfined compression; D. triaxial compression.


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The Mohr-Coulomb failure criterion with a tension


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Comparison of empirical of envelope and Mohr-Coulombcriterion in the tensile region. Inside the ruled region, the Mohr-Coulomb criterion with tension cutoff overestimates the stength.


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ANALISIS DE LOS ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DEL MACIZO ROCOSO

Las propiedades mecánicas de las rocas son gobernadas por la reacciónde estas a las fuerzas, actuando sobre ellas.

Estos esf er os ind cen a la roca n estado de fallamiento na cantidadEstos esfuerzos inducen a la roca un estado de fallamiento, una cantidadcon la dimensión de fuerza por área unitaria, y un estado dedeformación, una cantidad adimensional expresando la deformación entérminos de la dimensión original.

La relación entre esfuerzo y deformación en un material idealizado formala base de las teorías matemáticas de elasticidad, viscosidad y reología;las cuales pueden a su vez ser aplicadas a materiales reales (en estecaso las rocas) para estimar los esfuerzos o deformaciones en un campo


caso las rocas) para estimar los esfuerzos o deformaciones en un campode fuerzas definido.

El entendimiento de los esfuerzos y deformaciones y, de los principalesesfuerzos y el análisis de las deformaciones es, por lo tanto, muyimportante para el ingeniero encargado de diseñar excavaciones dentrodel macizo rocoso.

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Es la fuerza interna por unidad de área cuando dicha área

tiende a cero.

E f l ( ) E l t l d lEsfuerzo normal (σ). Es la componente normal del

esfuerzo: la componente perpendicular al plano sobre el

cual actúa el esfuerzo.

Esfuerzo tangencial (). Es la componente tangencial del


esfuerzo: la componente paralela al plano sobre el que

actúa el esfuerzo.

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Considerando la siguiente figura, se puede escribir lo siguiente:

ESFUERZOS Y DEFORMACIONES AXIALES

siguiente:

Esfuerzo axialA

PstreesAxial A :


Deformación axialLL

strainAxial A

:

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σA

σA vs. A para rocas elásticas ideales, las cuales no son isotrópicas.

DescargandoA

ASlope


Cargando

A

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A

L

P

L


Cuando se obtienen taludes muy inclinados, es por que lacarga actuó muy rápidamente sobre el espécimen.

La mayoría de las rocas no son idealmente elásticas.

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GEOMECANICA


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RQD

D. Deere

Palmström

Priest and

Índice de calidad geomecánica del macizo rocoso

Priest and Hudson

RMR Bieniawski

Q

RSR Wikham

N. Barton


RMi

GSI Hoek & Marinos

Palmstrom

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DEFINICION

Según Bieniawski, es la ciencia e ingeniería que estudialos suelos y los materiales rocosos, lo mismo que a loslos suelos y los materiales rocosos, lo mismo que a losmacizos rocosos. Este es un campo de prácticaprofesional e investigación que trata de lo anteriormentemencionado.

La geomecánica contribuye a un número de disciplinastales como Ingeniería de Minas, Civil, Geológica, Petroleray de Gas Natural Estas disciplinas se estudian para


y de Gas Natural. Estas disciplinas se estudian paradiseñar y construir algunos proyectos, tales como minas,túneles, cimentaciones, estabilidad de taludes, piques,perforaciones en la búsqueda de petróleo y gas, etc.

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Objetivos

La geomecánica permite mejorar ambos: el ambiente dondevivimos y la calidad de vida de los habitantes del planetaTierra.

Objetivos

Conocer las características geomecánicas de las rocaspara minimizar y/o evitar el deslizamiento de los taludes.


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CARACTERIZACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

Para utilizar el mapeo geológico y geomecánico de lasdiscontinuidades del macizo rocoso es necesario clasificar ydiscontinuidades del macizo rocoso, es necesario clasificar ycuantificar sus efectos en el proceso de excavación de dichomacizo.

A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificación ycaracterización del macizo rocoso, pero los más usados sonlos siguientes:


g

Rock Quality Designation (RQD-Index)Rock Mass Rating System (RMRs-value)Rock Mass Quality (Q System-value)

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Estos sistemas han sido desarrollados principalmente paraevaluar la reducción de la estabilidad de un macizo rocosointerceptado por algunos planos.

Sin embargo, ellos también pueden proveer cierta ayudapara estimar la influencia de las características del macizopara estimar la influencia de las características del macizorocoso durante el proceso de excavación.

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ROCK QUALITY DESIGNATION RQD

El geólogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba sutrabajo profesional en el ámbito de la mecánica de rocas,postuló que la calidad estructural de un macizo rocoso

d ti d ti d l i f ió d d lpuede ser estimada a partir de la información dada por larecuperación de testigos intactos. Sobre esta base proponeel índice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation).

El RQD se define como elporcentaje de testigosrecuperables con una longitud


p gmayor o igual a 10 cm.

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Basándose en los rangos de los valores del RQD, el macizo

10010

xtotalLongitud

cmtestigosdetotalLongitudRQD

rocoso puede ser caracterizado según la valoraciónsiguiente:

RQD (%) Calidad de la roca

100-90 Muy buena

90 75 B


90-75 Buena

75-50 Mediana

50-25 Mala

25-0 Muy mala

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En caso que no se cuente con testigos adecuados,Palmström (1982) propone que el RQD puede ser calculado,definiendo un RQD superficial según la siguiente expresiónmatemática:

DondeDondeJv: número de contactos por m3

Jv: Jx + Jy + JzPara Jv < 5 → RQD = 100


(%)3.3115 vJxRQD

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11010100 RQD

Priest y Hudson (1976) proponen el RQD, el cual puedeser calculado usando la siguiente expresión matemática:

11.01.0100 eRQD

idadesdiscontinuN.º

Donde


m

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Desarrollado en Sudáfrica por Z. T.Bieniawski en 1973 y posteriormente

RMR (ROCK MASS RATING) DE BIENIAWSKI 1979

modificado por él mismo en 1976 y en1979. También es conocido como CSIR(South African Council for Scientific andIndustrial Research) (Consejo de Áfricadel Sur para la Investigación Científica eIndustrial).


Actualmente, se usa la edición de 1989 que coincidesustancialmente la con de 1979. Para determinar el índiceRMR de calidad de la roca, se hace uso de los parámetrosdel macizo rocoso que se mencionan posteriormente.

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ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRS)

Esta caracterización ingenieril de los macizos rocososutiliza los siguientes seis parámetros, los cuales sonmedibles en el campo y también pueden ser obtenidos dela base de datos (laboratorios).

1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc)

2. Designación de calidad de roca (RQD)

3. Espaciamiento de las discontinuidades

4 Condición de las discontinuidades


4. Condición de las discontinuidades

5. Condición de agua subterránea

6. Orientación de las discontinuidades

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Valores de los cinco parámetros que intervienen

1. Resistencia a la compresión de la roca alterada:Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la

ió i i l d l Dcompresión uniaxial de la roca que proponen Deere yMiller, como alternativa se podrá utilizar la “clasificaciónde carga de punta” para cualquier tipo de roca, excepto lamuy frágil.

2. RQD: índice de calidad de la roca según Deere y Miller.


3. Espaciamiento de las discontinuidades: es decir, de lasfallas, de los planos de estratificación y otros planos dedebilidad.

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4. Condiciones físicas y geométricas de lasdiscontinuidades: este parámetro toma en cuenta laseparación o abertura de las fisuras, su continuidad, larugosidad de su superficie, el estado de las paredes(duras o blandas) y la presencia de relleno en las(duras o blandas) y la presencia de relleno en lasdiscontinuidades.

5. Presencia de agua subterránea: se intenta medir lainfluencia del flujo de las aguas subterráneas sobre laestabilidad de las excavaciones en función del caudalque existe en la excavación y, de la relación entre la


q y,presión del agua en las discontinuidades y el esfuerzoprincipal.

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El valor del RMR se calcula de la siguiente manera:

Valor de un parámetro individual

654321 RMR

Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidospor el valor RMR:

RMR Clase N.º Clasificación

100-81 I Roca muy buena

81-60 II Roca buena


8 60 oca bue a

60-41 III Roca regular

40-21 IV Roca pobre

< 20 V Roca muy pobre

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Ensayo de Carga Puntual

(Mpa) > 10 4 - 10 2 - 4 1 - 2

Valores bajos, efectuar ensayos compresión

uniaxial R

esist

encia

ro

ca in

tact

a Compresión Simple

(Mpa) > 250 100 - 250 50 - 100 25 - 50 5 - 25 1 - 5 < 1 1

Valoración 15 12 7 4 2 1 0

TABLA I

Valoración 15 12 7 4 2 1 0 RQD 90% - 100% 75% - 90% 50% - 75% 25% - 50% < 25% 2

Valoración 20 17 13 6 3 Separación entre diaclasas (m) > 2 0.6 - 2 0.2 - 0.6 0.06 - 0.2 < 0.06 3

Valoración 20 15 10 8 5

Estado de las diaclasas

Muy rugosas, discontinuas,

cerradas, bordes sanos y duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes

duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes

blandos

Espejos de falla, relleno < 5 mm, separación 1 - 5 mm, diaclasas

continuas

Relleno blando > 5 mm, separación > 5 mm, diaclasas continuas 4



Caudal / 10m de túnel (l/min) Nulo < 10 10 - 25 25 - 125 > 125

Presión de agua 0 0 - 0.1 0.1 - 0.2 0.2 - 0.5 > 0.5

Agua

freá

tica

Estado general Seco Ligeramente húmedo Húmedo Goteando Fluyendo

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CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO POR N. BARTON.

Este sistema es uno de los más usados en nuestro medio,debido a la interrelación con el sistema de clasificación deBieniawski (RMRs). Primero se calcula el RMRs y luego seBieniawski (RMRs). Primero se calcula el RMRs y luego sedetermina el valor de Q.

Un sistema estructural de macizosrocosos, orientado también a servir enla construcción de túneles, fuedesarrollado por Barton, Lien y Lunden;investigadores del NGI (Norwegian


g ( gGeotechnical Institute) que se basaronen extensivos estudios en macizosrocosos y en un gran número de casosde estabilidad de excavacionessubterráneas.

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RQD : parámetro definido por Deere (1964)Jn : número de contactosJr : número de rugosidades

El sistema propuesto considera seis parámetros para definirla calidad de un macizo rocoso, que son los siguientes:

Jr : número de rugosidadesJa : número de alteraciónJw : condición de agua subterráneaSRF : factor de reducción del esfuerzo(stress reduction factor)

Para calcular el índice Q se usa la siguiente expresiónmatemática:


SRFJ

xJJ

xJ

RQDQ w

a

r

n

matemática:

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El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 y1000. Dentro de este rango se definen nueve calidades deroca, tal como se muestra en la tabla siguiente:

Calidad de roca Q

Excepcionalmente mala 0 001 0 01Excepcionalmente mala 0.001-0.01

Extremadamente mala 0.01-0.1

Muy mala 0.1-1.0

Mala 1.0-4.0

Regular 4.0-10.0

Buena 10 0 40 0


Buena 10.0-40.0

Muy buena 40.0-100.0

Extremadamente buena 100.0-400.0

Excepcionalmente buena 400.0-1000.0

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CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMRS Y EL Q SYSTEM

Resistencia, rigidez, tamaño del bloque, integridad estructural estabilidad, vida útil, etc.

RMR 5

Q 9

100

10000.001

0

Barton

Bieniawski

Clasificación


RQD 51000 Deere

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GEOLOGICAL STRENGTH INDEX DE HOEK & MARINOS (2000)

El GSI (geological strength index) se basa enestimaciones cualitativas al igual que el RMR.g qThe Geological Strength Index toma en cuenta del macizorocoso lo siguiente:a) La estructura del macizo rocoso considera el grado de

fracturamiento o la cantidad de contactos por metrolineal.1. Roca masiva o levemente fracturada (LF)

f ( )


2. Roca moderadamente fracturada (F)3. Roca muy fracturada (MF)4. Roca intensamente fracturada (IF)5. Roca triturada o brechada (T)

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b) La condición superficial del macizo rocoso, tal como la

resistencia de la roca intacta y las propiedades de las

discontinuidades: resistencia, apertura, rugosidad,

relleno y la meteorización o alteración.

1. Roca muy buena (MB)

2. Roca buena (B)

3. Roca regular (R)


4. Roca mala (M)

5. Roca muy mala (MM)

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COMPARACION DE LOS METODOS DE BIENIAWSKI VS. BARTON

La caracterización del macizo rocoso propuesta porBieniawski y Barton es de interés especial, puesto queincluye suficiente información para poder evaluar losparámetros del macizo rocoso que tienen influencia en laestabilidad de una excavación subterránea como entaludes en roca.

Bieniawski da más importancia a la orientación y a la


Bieniawski da más importancia a la orientación y a lainclinación estructural de la roca y ninguna a los esfuerzosen la roca.

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Barton no incluye o no considera el factor de la orientaciónde los contactos, pero sí considera las propiedades de lossistemas de contactos más desfavorables al evaluar larugosidad de los contactos y su grado de alteración. Ambosrepresentan la resistencia al esfuerzo cortante del macizorocoso.

Estos dos sistemas señalan que la orientación y lainclinación de las estructuras son de menos importancia, yla diferencia entre favorable y desfavorable es adecuadapara los casos prácticos.


p p

Existen algunos materiales como la pizarra que tienecaracterísticas estructurales tan importantes que tienden adominar el comportamiento de los macizos rocosos.

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En otros casos, grandes bloques quedan aislados por

discontinuidades y causan problemas de inestabilidad

durante la excavación, para estos casos los sistemas de

clasificación descritos serán quizás no adecuados y se

necesitarán consideraciones especiales para la relación

entre la geometría del macizo rocoso y la excavación.

Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas

comprimidas expansivas o con grandes flujos de agua la


comprimidas, expansivas o con grandes flujos de agua, la

clasificación de Bieniawski es poco aplicable.

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Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se

recurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para

mayor seguridad, estas caracterizaciones se deben tomar

como guías y, es mejor aplicar ciencia y tecnología con

modelos matemáticos.


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RECOMENDACIONES

Se sabe que las diferentes caracterizaciones del macizorocoso que existen a nivel mundial, postuladas por losdiversos investigadores, son empíricas. Por ello, se debentomar como tal; es decir, como una guía.

Estas caracterizaciones se han realizado en otros paísesde diferentes condiciones al Perú.

Para que estas caracterizaciones dejen de ser empíricasdebe hacerse so de los diferentes modelos matemáticos


debe hacerse uso de los diferentes modelos matemáticosde la investigación de operaciones y darles un cierto gradode confiabilidad.

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GEOLOGIA ESTRUCTURAL


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GEOLOGIA ESTRUCTURAL

La geología estructural está directamente relacionada conotras ramas de la geología.


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