Por: D. Milne, Departamento de Ingeniería Civil, Geológica y Ambiental, Universidad de Saskatchewan, Canadá.

Resumen 

La clasificación del macizo rocoso es una de las herramientas clave utilizadas en el diseño de tajeos tanto para técnicas de diseño empírico/gráfico, como para enfoques numéricos/de modelado. Ambos consideran diferentes modos de falla y requieren sistemas de clasificación que analicen diversas propiedades del macizo rocoso. 

La elección del mejor sistema de clasificación y, por lo tanto, del mejor enfoque general de diseño, debe basarse en la experiencia del ingeniero in situ y en las observaciones y casos prácticos recogidos en mina. Se ha sugerido que el diseño empírico de los tajeos es más adecuado para los trabajos preliminares de diseño de mina y que los enfoques numéricos son mejores cuando se dispone de datos más detallados, así como de casos prácticos para la calibración de los modelos. 

Este documento sugiere que ambos enfoques deben utilizarse en todas las etapas de la vida de la mina. Los empíricos se benefician de datos más detallados sobre el macizo rocoso y tanto los enfoques numéricos como los empíricos se benefician de una mejor comprensión del comportamiento del macizo rocoso, así como de los casos prácticos de los tajeos. Se sugiere un enfoque de caracterización del macizo rocoso que implica la medición de propiedades clave a partir de las cuales se pueden derivar valores de clasificación.

Introducción

Los tres principales sistemas de clasificación utilizados para el diseño de tajeos que se discuten en este documento incluyen: el sistema Q (Barton et al., 1974), el sistema RMR₇₆ (Bieniawski, 1976) y el índice de resistencia GSI (Hoek et al., 1995). El enfoque MRMR para evaluar los conjuntos de juntas y el sistema RMR₈₉ para caracterizar el estado de las juntas también hace referencia a (Laubscher, 1976); (Bieniawski, 1989).

Tanto los sistemas de clasificación Q como RMR₇₆ se desarrollaron para el diseño de túneles y necesitan alguna modificación antes de poder aplicarse a métodos de minería a tajeo abierto. El sistema GSI se denomina índice de resistencia en lugar de sistema de clasificación y tiene algunas suposiciones incorporadas que deben cumplirse antes de que pueda utilizarse para el diseño. Estos supuestos se discutirán más a fondo.

Para usar los sistemas de clasificación para el diseño de túneles, se incluyen términos para evaluar las condiciones de carguío en el sistema Q, y un término para evaluar las condiciones de orientación de las juntas en la clasificación RMR₇₆. No se utilizan estos términos si solo se necesita una estimación del estado del macizo rocoso. La clasificación del macizo rocoso, sin los términos de carguío u orientación, da un valor que representa la caracterización del macizo rocoso.

La aplicación de los sistemas de clasificación o caracterización del macizo rocoso a los métodos de diseño de tajeos se mejoran a través de la experiencia y la calibración a los casos prácticos. El enfoque de calibración para los métodos de diseño empírico y numérico difiere significativamente y se discutirá con cierto detalle.

La clasificación del macizo rocoso frente a la caracterización se analiza en la siguiente sección.

Clasificación versus caracterización del macizo rocoso 

Diseño de túneles basado en los sistemas Q y RMR desarrollados por clasificación. Sin una aplicación de diseño, los sistemas no habrían tenido un seguimiento tan amplio, algo que se ha convertido en la base de su éxito. Gran parte de la siguiente información ha sido tomada de Milne (2007).

Con un valor de clasificación del macizo rocoso e información del túnel, se pueden obtener los requisitos de soporte y la estabilidad estimada requerida (Barton et al., 1974; Bieniawski, 1976). El sistema Q incluye un factor para evaluar las condiciones de esfuerzo y el sistema RMR₇₆ contiene un término que evalúa la orientación de las discontinuidades en relación con la estructura de ingeniería. Una de las principales diferencias entre las aplicaciones de clasificación de rocas en túneles y en minería es la gran variación en la orientación, profundidad y geometría de las labores subterráneas en actividades mineras. Las aplicaciones de ingeniería civil se utilizan generalmente en los túneles a una profundidad, orientación y geometría relativamente constantes, lo que rara vez se presenta en las aplicaciones mineras.

Si estas últimas incluyeran la orientación de las juntas y las condiciones de esfuerzo en la clasificación de las rocas, el mismo macizo rocoso podría tener docenas de valores de clasificación repartidos por toda la mina en función de la orientación de la galería, el nivel de extracción y el historial de excavación (Milne et al., 1998). Esto llevaría a una gran confusión y haría que los sistemas de clasificación fueran muy difíciles de aplicar.

Tanto el sistema de clasificación RMR como el Q se ajustan con frecuencia a las aplicaciones mineras y se denotan con el uso del símbolo prima (´). El sistema Q´ se utiliza en numerosas técnicas de diseño empírico y se diferencia del sistema Q en que el factor de reducción de esfuerzos (SRF) se establece en 1.0 (Potvin, 1988; Clark, 1998). El sistema RMR´ se utiliza a menudo para diseños mineros. El sistema RMR´ no incluye la corrección RMR para la orientación de las juntas. Los sistemas Q´ y RMR´ dan estimaciones de la caracterización del macizo rocoso y se usan entendiendo que el efecto de la interacción de los esfuerzos y la orientación de las juntas con las estructuras de ingeniería se evaluará más adelante en el proceso de diseño.

Palmström et al. (2001) discuten la diferencia entre la clasificación y la caracterización de las rocas. La caracterización del macizo rocoso debe consistir en sus propiedades intrínsecas, que incluyen las propiedades de la roca intacta, la separación y el patrón de las discontinuidades. Si se utiliza la caracterización de la roca, los factores de carguío o ambientales, tales como los esfuerzos o la orientación de la discontinuidad, deben considerarse más adelante en el proceso de diseño. Sin embargo, los sistemas de clasificación de rocas deben tratarse como paquetes de diseño completos y deben utilizarse con las tablas de diseño empíricas adecuadas.

Se ha debatido sobre la evaluación de los factores de aguas subterráneas en la clasificación y caracterización del macizo rocoso. Palmström et al. (2001) sugirieron que las aguas subterráneas se excluyeran de la caracterización del macizo rocoso y se añadieran más tarde en el proceso de diseño, ya que las condiciones del agua pueden variar significativamente en el mismo macizo rocoso.

El autor considera que hay demasiados enfoques de diseño empíricos y numéricos que no tienen en cuenta intrínsecamente la presencia de agua. Si se le ignora en la fase de caracterización de la roca, se corre el riesgo de que suceda lo mismo en el proceso de diseño. Laubscher y Taylor (1976) incorporaron el agua como factor que reduce las propiedades de resistencia en las superficies de discontinuidad en su sistema RMR modificado (MRMR). Este enfoque tiene cierto mérito, ya que vincula la presencia de agua a su efecto sobre las propiedades de fricción de la masa rocosa.

También existe cierta confusión en cuanto a la aplicación de las condiciones del agua con el método de diseño de gráficos de estabilidad para labores subterráneas (Potvin, 1988). Hoek et al. (1995) afirman lo siguiente con respecto a la aplicación de Q´ para el método del gráfico de estabilidad:

"El sistema no se ha aplicado en condiciones con aguas subterráneas significativas, por lo que el factor de reducción por contenido de agua en la junta (Jw) es comúnmente 1.0". 

El término de aguas subterráneas en la clasificación Q´ a veces se ignora, cuando se utiliza el método de diseño del gráfico de estabilidad. Este no es un enfoque conservador porque no hay ningún otro lugar para evaluar las condiciones de las aguas subterráneas en este método. Existe una confusión similar con la determinación de los criterios de falla "m" y "s" para el diseño. Los factores "m" y "s" originales se basaron en los valores de la clasificación RMR₇₆, considerando el agua (Hoek y Brown, 1980). Los valores m y s se basan ahora en los valores del GSI, que no incluyen una evaluación de las aguas subterráneas. Antes de utilizar este enfoque para el diseño en zonas donde el agua es una preocupación, el ingeniero debe considerar si la evaluación modelada de la presión del agua refleja adecuadamente la caída de la estabilidad que podría deberse a la disminución de las propiedades de fricción del macizo rocoso, así como el efecto sobre los esfuerzos.

Factores utilizados en la caracterización de las rocas y su ponderación

Los métodos de caracterización de rocas utilizados en este documento tienen diferencias significativas, sin embargo, todos ellos cuantifican las propiedades básicas de un macizo rocoso y las combinan para representar las propiedades generales del mismo. Cada sistema selecciona lo que considera las propiedades más significativas de un macizo rocoso y le asigna una calificación. La suma o multiplicación de estas calificaciones individuales proporciona un valor único que representa la calidad del macizo rocoso. La Tabla 1 resume algunas de las propiedades clave utilizadas en los sistemas de caracterización del macizo rocoso que se analizan en este documento.

Es importante tener en cuenta la ponderación que se da a las propiedades del macizo rocoso en estos sistemas de caracterización. Antes de elegir un método apropiado para caracterizar el macizo rocoso para el diseño de los tajeos, el ingeniero o geólogo debe usar su juicio para determinar si las propiedades que parecen tener la mayor influencia en la estabilidad del tajeo, son las mismas evaluadas en el método de caracterización. Es interesante observar la gran variedad de evaluaciones en cuanto a la influencia del tamaño del bloque del macizo rocoso. Este método se discute en la próxima sección.

Clasificación de las rocas, factor de resistencia y efectos de la escala

El efecto de escala en el diseño empírico es la interacción del tamaño de la estructura de ingeniería que se está diseñando, con las dimensiones de los bloques de roca intactos delimitados por discontinuidades. El factor que describe el tamaño de bloque intacto en un sistema de clasificación indica la sensibilidad de este en diferentes rangos de tamaño de bloque.

Hay una diferencia entre la evaluación de RMR₇₆ ´ y Q´del tamaño del bloque. En primero, el término RQD tiene en cuenta el tamaño del bloque, junto con Jn (factor de conjuntos de juntas) que contempla parcialmente la forma del bloque con el factor que representa el número de conjuntos de juntas presentes. El término RQD es sensible a la variación de la separación de las juntas en un rango limitado. La Figura 1 compara el rango efectivo de RQD con el término de juntas por metro cúbico y el volumen de los bloques. También muestra que el RQD puede discriminar entre un macizo rocoso con 4 a 30 juntas por metro cúbico. El RQD no puede diferenciar entre las separaciones de juntas inferiores a 30 juntas por metro cúbico o superiores a 5 juntas por metro cúbico. Existe un término en el sistema Q en el que se añade 1.0 al término de aspereza de las juntas Jr, si la separación de los conjuntos de juntas pertinentes es superior a 3 metros, pero esto no resuelve completamente la falta de sensibilidad a las separaciones de juntas grandes o pequeñas.

Para el sistema RMR₇₆´ también se utiliza el término RQD, pero se asocia a un término de separación de juntas que aumenta en gran medida el rango en el que el sistema será sensible a los cambios en la separación de juntas (Figura 1).

El sistema GSI no considera el tamaño del bloque, sin embargo, tanto el Q´ como el RMR₇₆´ dan un peso significativo al tamaño del mismo. El sistema GSI produce un valor denominado índice de resistencia, que está vinculado a una estimación de la resistencia del macizo rocoso. Los valores Q´ y RMR₇₆´ están vinculados a las propiedades que influyen en el comportamiento del macizo rocoso. Esta es una distinción importante y se describe mejor comparando la resistencia del macizo rocoso con la resistencia a la compresión no confinada de la roca intacta. Cuando se somete a ensayo una roca intacta, se proporcionan las siguientes pautas para el tamaño de la muestra (Norma ASTM D7012-10, 2010): "El diámetro de las muestras de ensayo de rocas deberá ser al menos diez veces el diámetro del grano mineral más grande. Para los tipos de roca débiles, que se comportan más como un suelo (por ejemplo, la arenisca débilmente cementada), el diámetro de la muestra será al menos seis veces el diámetro máximo de las partículas". 

Esta directriz se proporciona porque los granos minerales suelen tener propiedades diferentes a las de la matriz circundante. Al asegurar que el tamaño de la muestra es mucho mayor que el tamaño del grano, la muestra se comporta como un material más homogéneo. Esta misma lógica puede aplicarse a las dimensiones de los bloques, que sugiere que mientras el tamaño de la muestra o la estructura de ingeniería bajo carga sea al menos 10 veces el diámetro del tamaño medio de los bloques, la dimensión de estos no influirá en la resistencia global del macizo rocoso. Esto podría tratarse como una guía para determinar si la aplicación del factor de resistencia GSI es apropiada para usar en una situación dada. Sin embargo, es difícil saber si esta misma relación entre el tamaño de los granos minerales y la dimensión de la muestra corresponde al tamaño de los bloques de un macizo rocoso. Estimar cuándo es apropiado utilizar el sistema GSI puede ser un reto. Se ha trabajado para ampliar el sistema GSI con la adición de RQD para evaluar el tamaño del bloque (Cai et al. 2004), sin embargo, parece que el GSI se desarrolló específicamente para evitar este enfoque.

Hay que tener en cuenta la norma ASTM sobre el tamaño de la muestra cuando esta supera diez veces la dimensión del grano del mineral; si se cumple esta norma, la resistencia de la muestra no se verá afectada si se reduce el tamaño del grano. La aplicación de esta analogía al tamaño de los bloques intactos en un macizo rocoso tiene cierta validez. Una gran cantidad de grava angular puede formarse hasta un ángulo de reposo de aproximadamente 38º. Si el tamaño medio de la muestra se redujera a la mitad, y se mantuviera el mismo carácter angular, el ángulo de reposo no cambiaría significativamente. Esto sugiere que el factor de resistencia GSI solo puede aplicarse cuando el volumen de roca cargado es muy grande en relación con el tamaño del bloque. Si una reducción del tamaño de los bloques intactos influye en la estabilidad de la estructura de ingeniería que se está diseñando, el término GSI no debe utilizarse, ya que no es sensible al tamaño de los bloques ni a la separación de las discontinuidades. El autor no sabe cómo podría determinarse una proporción adecuada entre el tamaño de la estructura de ingeniería y la dimensión del bloque, pero sugiere que es una tarea que pueden realizar los usuarios con experiencia en resistencia GSI. A continuación, se ofrecen algunas pautas para la aplicación del GSI en el análisis de fallas: "El criterio de falla de Hoek-Brown solo es aplicable a macizos rocosos intactos o muy articulados que puedan considerarse homogéneos e isotrópicos", (Hoek et al., 1995).

Caracterización cualitativa del macizo rocoso frente a la cuantitativa

Los sistemas Q´ y RMR₇₆´ consisten en evaluaciones del tamaño y quizás de la forma de los bloques intactos de roca limitados por discontinuidades, el estado de la superficie de la discontinuidad o las propiedades de fricción, la resistencia de la roca intacta y las condiciones del agua subterránea.

El método de evaluación de estas categorías ha evolucionado desde evaluaciones principalmente subjetivas de los factores hasta más cualitativas. La resistencia de la roca intacta, la separación de las juntas y el agua subterránea se evalúan en términos bastante cuantitativos. El término de evaluación de la discontinuidad es más subjetivo y contiene descripciones como "superficies muy ásperas" y "superficies ligeramente ásperas", que requieren experiencia para diferenciarlas y no proporcionan una evaluación muy precisa. El sistema de clasificación RMR ha evolucionado para ser más cuantificable (Bieniawski, 1989), y otros han intentado mejorar la caracterización del macizo rocoso mejorando nuestra capacidad para medir las propiedades de este, tales como la superficie de discontinuidad. La evaluación de juntas para RMR₈₉ es más cuantificable y podría utilizarse con RMR₇₆´ si la calificación RMR₈₉, que es de un máximo de 30, se redujera al valor RMR₇₆´ de 25.

El sistema Q´ es posiblemente el método menos subjetivo que se usa actualmente. Las descripciones más analíticas y cuantitativas utilizadas en el sistema Q´ se combinan con una evaluación de más parámetros del macizo rocoso, y estas se dividen en muchas más categorías. Por ejemplo, el sistema RMR₇₆´ describe la condición de las discontinuidades mediante cinco grandes categorías. El sistema Q´, gracias a la evaluación que realiza de la aspereza, la alteración y el relleno a pequeña y gran escala, puede diferenciar entre más de 60 condiciones de superficie de juntas. El sistema Q´ puede dar valores de clasificación de rocas muy precisos, sin embargo, esto hace que la repetibilidad sea más difícil de conseguir y también aumenta el tiempo que se necesita para obtener una estimación de la clasificación de rocas.

Las descripciones de las juntas y del tamaño de los bloques en el sistema Q´ pueden ser un tanto subjetivas y se han realizado investigaciones para que estas categorías sean más cuantificables (Milne et al., 1991; Hadjigeorgiou et al., 1994), así como las distribuciones de tamaño de los bloques intactos (Hadjigeorgiou et al., 1998).

El sistema GSI es el más reciente de clasificación de macizos rocosos que se utiliza de forma habitual. Hace un intento consciente de alejarse de los sistemas de clasificación que cuantifican o califican las propiedades individuales del macizo rocoso. En su análisis del desarrollo del sistema de clasificación GSI, Hoek (2004) afirma: "También se consideró que era necesario un sistema basado en mayor medida en observaciones geológicas fundamentales y menos en "números". El sistema de clasificación GSI consta de seis categorías que describen el tamaño y la forma de los bloques de roca intactos y cinco adicionales que describen el estado de la superficie de las discontinuidades. Se basa en observaciones geológicas y evita un enfoque de ingeniería fundamentado en la división de las propiedades de un macizo rocoso en componentes y la medición de estos con la mayor precisión posible.

El sistema GSI se ha desarrollado para facilitar las propiedades del macizo rocoso para la modelación numérica, lo que puede explicar el diferente enfoque adoptado. Se anima a los profesionales a evitar estimaciones precisas de la clasificación, sino a dar un rango representativo de las propiedades altamente variables que se encuentran en los materiales naturales, como por ejemplo los macizos rocosos. Este enfoque también se adapta bien a la modelación numérica, donde las estimaciones más precisas de las propiedades del macizo rocoso pueden basarse en el análisis retrospectivo del comportamiento observado.

Calibración del diseño utilizando RMR76’, Q’ y GSI para el diseño

La calibración de los métodos de diseño es una práctica bien establecida para verificar o perfeccionar un enfoque de diseño y se utiliza tanto en métodos empíricos como numéricos. 

En algunos casos, la calibración del diseño consiste en ajustar el parámetro menos definido del análisis hasta que el diseño se ajuste a las condiciones observadas. Esto puede hacerse para estudios de estabilidad de taludes en los que las condiciones del agua subterránea se calibran para ajustarse a una falla observada. Las condiciones de las aguas subterráneas pueden elegirse si son el parámetro de entrada menos conocido. En los enfoques empíricos, la línea de diseño o la predicción de diseño suele ajustarse para adaptarse al comportamiento observado del macizo rocoso.

Las Figuras 2 y 3 muestran la dilución medida en una mina de uranio en el norte de Saskatchewan (Canadá) trazada en el gráfico de dilución modificado (Capes et al., 2005); (Forster, 2013). La Figura 2 presenta los datos de los tajeos con entre 0.5 y 1 metro de dilución, mientras que la Figura 3 muestra los datos entre 1 y 2 metros de dilución. La calibración de esta herramienta de diseño de predicción podría consistir en desplazar hacia abajo la línea azul que separa los dos grupos de datos. El desplazamiento de la línea de predicción de la dilución hacia abajo para estos datos sugiere que esta es menor que el valor calculado por el método de diseño, posiblemente debido a la mejora de la voladura, la reducción de la desviación del sondeo o algún otro factor típico de esta mina que no se ha incorporado al método de diseño o a la técnica de caracterización de la roca.

En las técnicas de modelación numérica, la falla provocada por los esfuerzos suele evaluarse en base a las propiedades del macizo rocoso, como m y s, que se fundamentan en el tipo de roca y en la estimación del factor de resistencia GSI. Dado que el valor del GSI se basa en evaluaciones subjetivas del macizo rocoso, a menudo se da como un rango. Pueden justificarse ajustes significativos de los valores m y s si se varía el valor del GSI utilizado para el diseño con el fin de ajustarlo al comportamiento observado. Este es un enfoque efectivo para la calibración del modelo, sin embargo, como las condiciones de la roca varían, puede ser necesaria una calibración adicional del modelo.

Pautas para el diseño de tajeos

La recopilación de datos para la caracterización del macizo rocoso es uno de los primeros pasos en el proceso de diseño de tajeos. El ingeniero o geólogo que recolecte estos datos no debe limitarse a la data para un solo método de caracterización, ya que esta la vinculará a un método de diseño que puede no ser adecuado. Como se ha mencionado, el método de diseño utilizado tiende a determinar el modo de falla que se interpretará. La Tabla 2 muestra un ejemplo de los datos que deben recopilarse para la caracterización de la roca de cara al diseño de un tajeo abierto. El valor Q' evalúa los datos de las propiedades del conjunto de juntas críticas para el diseño. El valor RMR₇₆´ utiliza un promedio de separación de conjuntos de juntas y el valor GSI es el rango dentro de un segmento de un gráfico GSI. La mitad superior de la Tabla 2 muestra los datos y observaciones que deben hacerse. Las correlaciones que relacionan la condición y la separación de las juntas con los valores de la clasificación Q' provienen de la literatura (Milne et al., 1998).

Es fundamental estimar el modo de inestabilidad del tajeo antes de realizar su diseño. Con una amplia calibración, la mayoría de los métodos de diseño suelen predecir correctamente el comportamiento del macizo rocoso, aunque el modo de falla no sea el adecuado. Las condiciones cambiantes requerirán una recalibración frecuente si el modo de falla diseñado no es el adecuado.

En condiciones de alto esfuerzo o de rotura, es necesario realizar una modelación basada en la resistencia y el esfuerzo utilizando el sistema GSI. En el caso de los techos de los tajeos con poca tensión/relajados, en los que el tamaño del tajeo con respecto a la dimensión del bloque es probablemente crítico, los métodos de diseño empíricos como el RMR₇₆´, el gráfico de estabilidad y los enfoques del gráfico de dilución serán probablemente claves (Potvin, Y., 1998); (Clark, L., 1998); (Capes, 2009); (Wang et al., 2003).

Otro enfoque que debería seguirse es el de estimar las propiedades que influyen en la falla del tajeo, basándose en casos prácticos y observaciones. Si el diseño del tajeo parece ser sensible a los cambios en el esfuerzo máximo inducido, conviene concentrarse en los enfoques de modelación numérica que consideran el esfuerzo. Si la RQD parece influir en la estabilidad, se debe utilizar un método de caracterización que mida directamente la RQD y la separación de las juntas. Si la alteración del macizo rocoso es el factor clave, cualquiera de los tres métodos de caracterización puede resultar adecuado. Si la estabilidad del tajeo es sensible a la inclinación del techo, los métodos empíricos pueden ser el mejor enfoque. Si los tajeos secundarios son más problemáticos que los primarios, lo más probable es que el esfuerzo sea el problema y haya que modelarlo.

La mayoría de los enfoques de modelación numérica son sensibles a la forma de una excavación en términos de longitud, anchura y altura relativas. El alcance de cualquier falla prevista podría expresarse como una fracción de la dimensión mínima de la excavación, independientemente del tamaño real. Si la profundidad de la falla solo ocurre cuando la geometría de la bocamina alcanza un tamaño crítico y luego aumenta rápidamente su dimensión, los métodos empíricos que consideran la extensión de la bocamina pueden ser más adecuados (Figuras 2 y 3).

Conclusiones

1. Tanto los enfoques empíricos como los numéricos deben utilizarse en todas las fases del diseño de minas. Las propiedades básicas del macizo rocoso deben medirse de forma cuantificable y repetible, junto con las observaciones generales, como se indica en la Tabla 2. Esto permitirá obtener la mayoría de los sistemas de clasificación a partir de los datos recogidos, de modo que se puedan evitar las correlaciones inexactas con los sistemas de clasificación de enlaces.

2. Es importante hacer observaciones y evaluar continuamente los casos prácticos que proporcionen datos sobre la respuesta del macizo rocoso en la actividad minera. Esto proporciona a los ingenieros o geólogos las herramientas que necesitan para realizar un diseño adecuado.

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