Experiencias en La Caracterizacion Geomecanica

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    19-Jan-2016

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1 INTRODUCCIN Varios mtodos de geofsica se utilizan en las inves-tigaciones geotcnicas, en especial en las primeras fa-ses del proyecto; de estos mtodos la ms utilizada es la ssmica que mide las velocidades de ondas ssmicas longitudinales (Vp) y ondas de corte (Vs). Las velo-cidades de las ondas ssmicas son las que mejor ca-racterizan a las propiedades del macizo rocoso porque dependen de la resistencia de la roca, grado de fractu-ramiento, esfuerzos, etc. Los mtodos geofsicos tienen ventajas notables res-pecto a otros mtodos de investigacin pues, son f-ciles y rpidos de efectuar; adems de tener un bajo coste. Con la refraccion ssmica se mide las velocida-des identificadas como Vp y con el mtodo MASW (Mutichannel Analysis of Surface Waves), las Vs. El presente trabajo expone algunas experiencias obte-nidas en la caracterizacin geomecnica del macizo rocoso con los mtodos sismicos y en la estimacin de los ndices de calidad como RQD, Q y RMR. Se ha utilizado la informacin del logeo geotcnico de los testigos de perforacin y las velocidades Vp y Vs medidos con refraccin ssmica y MASW, ejecu-tados en la cimentacin de presas y tneles. 2 METODOS PARA LA CARACTERIZACION GEOSISMICA DE MACIZOS ROCOSOS La velocidad de las ondas ssmicas se puede utilizar para caracterizar, tanto la roca intacta como el macizo rocoso. 2.1 Caracterizacin geossmica de roca intacta. Las velocidades Vp y Vs en la roca intacta son deter-minadas con el ensayo pulso ultrasnico (ASTM 2845). A partir de estas velocidades se puede estimar los mdulos dinmicos y correlacionarse con la resis-tencia a la compresin simple, porosidad, etc., como se indica en la figura siguiente. Figura 1. Correlacin entre la resistencia a la compresin simple y las velocidades de ondas longitudinales (Vp) y las ve-locidades de ondas de corte (Vs). 2.2 Caracterizacin geossmica de macizo rocoso Los mtodos geofsicos usados en la caracterizacin geotcnica de los materiales son: la ssmica de refrac-cin que mide el Vp y el MASW o SASW que mide el Vs. Experiencias en la Caracterizacin Geomecnica del macizo rocoso con mtodos geossmicos R. Norabuena, O. Felix & E. Maquera SVS Ingenieros S.A.- Empresa del Grupo SRK, Lima, Per RESUMEN: Ciertos parmetros geomecnicos del macizo rocoso pueden ser obtenidos a partir de las veloci-dades ssmicas usando correlaciones empricas; lo que facilita y contribuye en la obtencin rpida de un modelo geomecnico. El presente estudio tiene la finalidad de relacionar las velocidades ssmicas obtenidas de los m-todos de refraccin ssmica y el MASW con los ndices geomecnicos RQD y RMR obtenida de los testigos de perforacin. De los resultados notamos que son diferentes para cada mtodo ssmico y que debe considerarse otros aspectos geolgicos para la interpretacin y para una correlacin fiable; adems, ratificamos que el perfil geossmico con velocidades de ondas de corte (Vs) da una mejor interpretacin del perfil litolgico del subsuelo. 2.3 Mtodo de refraccin ssmica de superficie: Este mtodo est basado en la generacin de ondas ssmicas por un golpe o detonacin (fuente) y que son detectadas a su retorno a la superficie del suelo con dispositivos sensibles a la vibracin (gefonos). La figura 2 muestra el principio y la disposicin de los elementos de este mtodo para su ejecucin. Figura 2: Mtodologa y principio de la refraccin ssmica. En la evaluacin se utiliz la tcnica de tomografa de refraccin ssmica cuyos resultados se muestran en perfiles ssmicos (Fig. 3) y en donde se puede identi-ficar los distintos niveles geossmicos en funcin de la velocidad de propagacin de las ondas longitudina-les (Vp). Figura 3. Perfil tpico obtenido con el mtodo de tomografa ssmica. Los resultados de la refraccin ssmica son fiables en profundidades pequeas y medianas, donde puede identificarse con bastante certeza la posicin del ba-samento debajo de la cobertura de suelo o estimarse la facilidad de excavacin de roca con equipos (ripa-ble). La desventaja de este mtodo es que es influen-ciada por la presencia del agua, aumentando su valor. 2.3.1 Mtodo Mutichannel Analysis of Surface Waves (MASW) Este mtodo fue introducido en el ao 1999 y permite estimar las velocidades de ondas de corte (Vs) del subsuelo a partir del anlisis de las ondas de superfi-cie Rayleigh o Groundroll generadas por una fuente. El procedimiento del mtodo (vase Fig. 4) consiste en generar una onda artificialmente, luego registrar el tiempo de llegada de las ondas por los gefonos Figura 4. Mtodo MASW con la propagacin de las ondas de superficie en funcin de la profundidad de muy baja frecuencia (4.5Hz) colocados en el suelo de manera lineal y con una separacin conocida. Este mtodo permite calcular la distribucin de las velocidades de corte (Vs) en el subsuelo bajo formas de sondeos (vase Fig. 5). La mxima profundidad de investigacin alcanzada esta entre los 10 a 30m pu-diendo variar por el sitio. Figura 5. Grfico velocidad de la onda de corte en funcin de la profundidad. La adquisicin de datos es significativamente ms to-lerante en la seleccin de parmetros que otros mto-dos ssmicos debido a la mayor relacin: seal/ruido que fcilmente es alcanzada. Esto es debido a que las ondas superficiales pueden viajar una distancia ms larga sin sufrir mucha contaminacin del ruido. El MASW es un mtodo ssmico que provee resulta-dos altamente favorables y competentes (tienen una mayor resolucin del perfil del subsuelo), en las que su uso permite reconocer principalmente los materia-les arcillosos o sueltos. La velocidad de corte (Vs) es utilizado en la caracterizacin dinmica del suelo y la estimacin de la resistencia del terreno. Las ondas de corte no son influenciadas por la presencia del agua. 3 ESTADO DEL CONOCIMIENTO DE LA GEOSSMICA EN LA GEOMECNICA 3.1 Generalidades Desde principios de los 60 diferentes autores han realizado estudios e investigaciones con la finalidad de obtener correlaciones entre los parmetros ssmi-cos con los parmetros geomecnicos y geotcnicos que sean representativos del terreno y tiles al pro-yectista. 3.2 Principales estudios Deere y Merritt (1969) propusieron una correlacin entre el ndice de velocidad (Vf/Vl)2 y el RQD, donde Vf y Vl corresponden a velocidades de ondas ssmi-cas medidas en el campo y laboratorio, respectiva-mente. Uno de los estudios ms importantes fue el realizado por Sjgren et al (1979), que presento la correlacin de las velocidades longitudinales (Vp) con los par-metros del macizo rocoso como el nmero de juntas por metro y el RQD (Fig. 6). La correlacin fue para rocas competentes del escudo escandinavo y Andes de Chile. Propuso varias relaciones tericas entre las velocidades longitudinales y el nmero de juntas por metro. Determin que las correlaciones no eran aplicadas cuando la roca tena un alto grado de alteracin y/o meteorizacin, y que existan variaciones para cada rango de velocidades, siendo estas remarcables cuando se consideraba la litologa. Figura 6. Curvas medias de regre-sin de la correlacin entre las ve-locidades longitudinales Vp y el fracturamiento del macizo rocoso expresado valores de juntas por metro y RQD (Sjgren et al, 1979). 1 RQD y 2 juntas por me-tro. Barton (1991) correlaciona el ndice Q y las velocida-des longitudinales (Vp) mediante la siguiente relacin emprica: 3.5 . Esta correlacin la obtuvo en el proyecto una caverna en Noruega donde utilizo la tomografa ssmica de cross hole. Adems, fue verificada en rocas compe-tentes de baja porosidad, resistentes (RCS100MPa) y a bajas profundidades. Barton introdujo en el modelo de Sjgren el valor de Q, los valores de las velocidades longitudinales y el RQD (Fig. 7) La ssmica de refraccin comnmente se utiliza para evaluar la excavabilidad del subsuelo y roca, me-diante excavadoras con ripper. La clasificacin de la roca solo se basa en las velocidades ssmicas y no consideran los parmetros geolgicos como la natu-raleza de la roca, el ndice de fracturamiento que pue-den cambiar su excavabilidad. Figura 7. Correlacin entre las velocidades longitudinales, el RQD promedio, las fracturas por metro y el Q (Barton, 1995) Las velocidades de ondas de corte (Vs) est siendo investigado para ser correlacionado con los parme-tros geomecnicos de la roca. Un estudio realizado por Suharsono et al. (2004) pro-pone la correlacin RQD y Vs, con la siguiente for-mula: Donde Vs es la velocidad de la onda de corte en la roca intacta obtenido del ensayo ultrasnico y Vs es la velocidad de la onda de corte medido en el mtodo SASW. 4 ALGUNAS EXPERIENCIAS EN LA EVALUACIN GEOTCNICA DE MACIZOS ROCOSOS CON LAS VELOCIDADES SSMICAS 4.1 Generalidades Es comn utilizar durante la investigacin geotcnica la geofsica como primer mtodo de exploracin para determinar los modelos geossmicos; estos modelos luego son confirmados con perforaciones diamanti-nas con recuperacin continua de testigos y final-mente obtener un modelo geotcnico de la zona in-vestigada. En varios proyectos de presas y tneles se ejecutaron estudios de refraccin ssmica y MASW, y perfora-ciones diamantinas con logueo geotcnico de los tes-tigos recuperados y de los perfiles geomecnicos de los testigos de taladros diamantinos. Los valores de las velocidades ssmicas y de los parmetros geome-cnicos de los testigos de perforacin fueron cruzadas con el objetivo de hallar una correlacin velocidades ssmicas (longitudinales y de corte) con los ndices de calidad del macizo rocoso tales como el RQD (Rock Quality Design) y el RMR (Rock Mass Rating) u otros. 2 22La data fue tomada de los estudios de la cimentacin ocho proyectos de presas de relaves y botaderos (Ta-bla 1). Se analizaron 22 taladros diamantinos, 22 per-files de Vs y 22 perfiles de Vp. Los taladros diamantinos eran verticales y con dime-tros de 9.6 cm (HQ) y 7,6cm (NQ), longitudes no ma-yores a 100 m y con registros que incluan la litologa y los ndices RQD y RMR. Los sondeos fueron per-forados en el mismo perfil geofsico o a una distancia no mayor de 25 m. Las litologas evaluadas fueron, areniscas con limoli-tas y calizas (rocas sedimentarias); andesitas, brechas, ignimbritas y toba (como rocas gneas), y filitas y pi-zarras (rocas metamrficas). Tabla 1. Datos generales de los sondeos diamantinos analizados. Sondeo Litologa Longitud (m) Pas Total Roca PZ-5 Andesita 25.5 23.6 Per P-5 Andesita 30 20.8 Per BH-1 Andesita 25.17 23.07 Mxico P-1 BxV,BxI,Ign y Tb 20.2 19.01 Per P-2 Ignimbrita y toba 20.2 18.7 Per P-7 Filita 28.1 23.95 Per P-8 Filita 30 26.5 Per P-9 Filita 30 27.6 Per P-3 Filita 25.1 23.7 Per P-5 Filita 30 30 Per SA-1 Pizarra 40 35 Per SA-2 Pizarra 40 32.3 Per SRK-BH1 Arenisca y lodolita 100 95.8 ColombiaSRK-BH2 Arenisca y lodolita 100 85.7 ColombiaSRK-BH3 Arenisca 80 67.4 ColombiaSRK-BH7 ARN,LDL y CGL 50 44.7 ColombiaSRK-BH8 Arenisca y limolita 80 62.7 ColombiaP-1 Arenisca y limolita 40.1 33.2 Per P-2 Arenisca y limolita 40 33.3 Per P-3 ARN,LML y DLM 40 37.4 Per BH-S1 Caliza 20.2 16.75 Per BH-S3 Caliza 17 8.7 Per ARN: arenisca, CGL: conglomerado, LDL: lodolita, LML: limolita, DLM: do-lomita, BxV: brecha volcnica, BxI: brecha ignimbritica, Tb: toba, Ign: ignim-brita. 4.1 Metodologa del trabajo Los datos obtenidos del anlisis de los resultados de cada perforacin fueron colocados en tablas del programa Excel; para luego graficarse las velocidades ssmicas, RQD y RMR versus profundidad. Tal como se observa en la figura 8. Posteriormente, se agruparon los datos segn el tipo de roca (gnea, sedimentaria y metamrfica) y se graficaron las velocidades ssmicas (Vp, Vs) y los pa-rmetros geomecnicos (RQD, RMR), por tipo de roca. Finalmente los datos fueron complementados con va-rios aspectos referentes a su posicin, geologa y otros aspectos relevantes que permitan explicar los resulta-dos. Figura 8. Grafico del RMR, RQD, Velocidad de las ondas Vs y Vp, versus la profundidad de los sondeos P-7 y P-2. 4.2 Resultados Los anlisis estadsticos de la data son mostrados en las figuras 9, 10, 11 y 12. Los resultados son diferen-tes para cada caso y tienen comportamientos similares segn el tipo litolgico. Para nuestro estudio los va-lores de RMR estuvieron comprendidos entre 22 a 70. 4.2.1 Velocidad de corte versus parmetros geome-cnicos Los grficos RQD-Vs (Fig. 9) muestran en general una alta dispersin y no se obtuvo una buena correla-cin, siendo mayor la dispersin para las rocas sedi-mentarias. El rango de las Vs es 0.35 a 2 Km/s; las rocas gneas y metamrficas alcanzan altas velocida-des de corte. Figura 9. Grfico entre el RQD y la velocidad de las ondas de corte (Vs). El grfico RMR versus Vs (Fig. 10) muestra una ten-dencia neta progresiva de todos los datos. Segn los tipos litolgicos notamos que los datos de las rocas sedimentarias se concentran en un sector del grfico para valores bajos de RMR y con Vs < 1.6 Km/s. Una similar y mejor distribucin (menor dis-persin) tienen las rocas gneas y metamrficas con valores de RMR superiores a 40. Figura 10. Correlacin entre el RMR y la velocidad de onda de corte. 4.2.2 Velocidades longitudinales versus parmetros geomecnicos El total de los datos RQD y Vp fueron proyectados en el grfico de Sjgren (Fig. 11) donde la curva 1 co-rresponde a la correlacin entre el RQD y Vp. Tal como se muestra en la grfica los datos caen a la iz-quierda de la curva 1 y se tiene valores de 100 % de RQD con valores de Vp ms bajos. La figura 12 muestra la distribucin de los valores de RMR con respecto a las velocidades longitudinales (Vp), donde se observa que los valores estn concen-trados en una franja delimitada por las lneas discon-tinuas. Los valores de RMR se incrementan progresi-vamente con el aumento de las velocidades longitudinales. Figura 11. Correlacin entre el RQD y las velo-cidades longitudinales usando el grfico de Sjgren (curva 1). En la dispersin considerando los tipos de rocas es notorio dos tendencias: la primera agrupa las rocas metamrficas e gneas y la segunda agrupa las rocas sedimentarias. Para las rocas sedimentarias, la ten-dencia lineal para valores de RMR superiores a 20 se ha expresado por la siguiente ecuacin: RMR= 6.6 Vp+27 Figura 12. Correlacin entre el RMR y Vp (km/s). 4.3 Discusin La investigacin comprendi mayormente maci-zos rocosos de naturaleza heterognea, tanto en geo-loga como en geotecnia. Se evaluaron macizos roco-sos de diferentes: litologa, mineraloga, propiedades fsicas, estructuras, resistencias, fracturamiento y condiciones de las juntas. Esto de una cierta manera condicion algunos resultados de los parmetros me-didos. Figura 13. Grfico de los perfiles geofsicos y geomecnicos in-cluyendo la litologa de la perforacin SRK-BH7. En el estudio determinamos que en varios casos el perfil de velocidades de las ondas ssmicas de corte (Vs) se correlaciona mejor con el perfil litolgico (so-bre todo cuando el perfil litolgico es heterogneo), que las Vp; pero que, esto alteraba la correlacin con el RQD y RMR no siendo muy buena en dichos casos, un ejemplo de ello se muestra en la figura 13. Enton-ces notamos que la Vs es capaz de reconocer la posi-cin de manera ntida o cuasi-exacta de estratos de menor velocidad que subyacen a un estrato de mayor velocidad pasando a un segundo plano la correlacin con un parmetro geomecnico. Los resultados muestran que la correlacin entre los ndices geomecnicos y las velocidades de ondas de corte, tienen una moderada a alta dispersin, siendo mayor para las rocas sedimentarias (vase Fig. 9 y Fig. 10). Para las rocas metamrficas obtuvimos una mejor correlacin entre el ndice de calidad RMR del macizo y la Vp, posiblemente porque los datos anali-zados corresponden a rocas de similares estructura y litologa (filitas y pizarras), donde no habra cambios notables de su densidad. El RMR muestra una mejor correlacin con los parmetros ssmicos probable-mente porque las condiciones del macizo rocoso me-joran a medida que aumenta la profundidad, pues dis-minuye el grado de meteorizacin, las aberturas de las juntas se cierran, etc. Figura 14. Grfico RMR en funcin de las Vp para filitas en un contexto geolgico particular. Figura 15. Grfico RQD en funcin de la Vs para filitas en un contexto geolgico particular. Si consideramos ambas velocidades ssmicas en un solo sitio de estudio con un solo tipo litolgico, existe una mejor correlacin entre los parmetros medidos tal como lo muestran las figuras 14 y 15 para el caso de filitas. 4.4 Conclusiones Las correlaciones entre las medidas de las velocida-des ssmicas y los ndices de calidad del macizo ro-coso no fueron muy definidas; debido a que la data evaluada correspondan a perfiles litolgicos varia-dos. De manera general notamos que las correlacio-nes entre las velocidades longitudinales (Vp) con los ndices de calidad del macizo rocoso muestran una menor dispersin, que las obtenidas con las velocida-des de corte. Una mejor correlacin entre los parmetros geomec-nicos y las velocidades de corte fue obtenida cuando interpretamos perfiles de un sitio particular y donde la ubicacin de los sondeos geossmicos y la perfora-cin coinciden. En la fase inicial de las investigaciones es recomen-dable realizar primero mediciones paramtricas en-tre las velocidades ssmicas del MASW y los parme-tros geomecnicos de los testigos de perforacin diamantinas, para establecer las correlaciones bsicas para el sitio y que servirn luego para la interpretacin geotcnica de los perfiles ssmicos restantes y elabo-rar un modelo geossmico- geotcnico. Para mejorar las correlaciones entre los parmetros geossmicos y geomecnicos debemos tener presente las condiciones geolgicas del sitio que ayudaran a establecer el orden de los factores geolgicos que in-cidirn o controlaran la magnitud de las velocidades de ondas de corte. 5 BIBLIOGRAFIA Barton N. 2007. Taylor and Francis Group (eds) Rock Quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy 65-75, Londres. Choon Sunwoo & Sei-Ho Hwang, 2001, Correlation of rock mass classification methods n Korean rock mass Korea in-stitute of geology, mining and Materials, Taejon Korea. Jauch F. 2000. Using borehole geophysics for geotechnical clas-sifications of crystalline rock masses n tunneling: 90-102, Suiza. Mohamed Edy Tonnizam et al. 2011. Assessment on ex-cavatability in weathered Sedimentary Rock Mass Using Seismic Velocity Method; Journal of materials science and engineering: 258-263. Palmstrom A. 1995. Application of seismic refraction survey in assessment of jointing, Conference on recent advances n tun-neling technology: 1 8 New Delhi. Robert A. et al. (1997) High-resolution surface-seismic imaging techniques for NEHRP soil profile classifications and earth-quake hazard assessments in urban areas, U.S. Geological Survey open-file 97-501 Sjgren B., fsthus A. y Sandberg J., 1979. Seismic Classifica-tion of rock Mass Qualities, Geophysical Prospecting 27: 409-442. T.L. Goh et al. 2011. Application of spectral Analysis of surface waves (SASW) Method: Rock Mass Characterizacin, Sains Malaysiana 40 (5): 425-430