SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA
DE MACIZOS ROCOSOS
METODO DEL INDICE Q
Método del Índice Q
En este anexo se describe la forma de calcular el índice Q de calidad geotécnica,
desarrollado por
Barton et al. (1974). Aquí se presenta la versión más reciente de este método.
Referencias
Barton, N. 2002. Some new Q-value correlations to assist in site
characterization and tunnel design, Int
J Rock Mech & Mining Sciences, 39(2):185-216.
Barton, N. 2005. Nuevas correlaciones del valor de Q para su uso en la
caracterización in situ y en el
diseño de túneles, INGEO TÚNELES 9 (editado por C López Jimeno), pp 41-93,
Gráficas Arias Montano: Madrid.
Barton, N & Grimstad, E. 2000. El sistema Q para
la selección del
sostenimiento en el método Noruego de excavación de túneles, INGEO TÚNELES 3
(editado por C López Jimeno), pp 27-58, Gráficas
Arias Montano: Madrid.
Barton, N.; Lien, R. & Lunde, J. 1974. Engineering
classification of rock masses for design of tunnel
support, Rock Mechanics, 6(4): 189-236.
Grimstad, E. & Barton, N. 1993. Updating
the Q-System for NTM, Proc. Int. Symp. on
Sprayed Shotcrete: MODERN USE OF WET MIX SPRAYED SHOTCRETE FOR UNDERGROUND
SUPPORT (edited by R. Kompen et al.), Norwegian Concrete Association: Oslo.
Definiciones:
El método de clasificación de Barton et al. (1974) se desarrolló para estimar
la fortificación de túneles
en función del índice Q de calidad geotécnica, definido como:
aŽ› RQD aŽž aŽ› J r aŽž aŽ› J w aŽž
Q = aŽœ
aŽŸ
aŽŸ aŽœ
aŽœ J aŽŸ × aŽœ J aŽŸ × aŽœ SRF aŽŸ
aŽ
n
aŽ aŽ a aŽ aŽ
aŽ
(1)
donde el primer cuociente corresponde a unaestimación del tamaño de los bloques
que conforman el
macizo rocoso, el segundo cuociente corresponde a una estimación de la
resistencia al corte entre
bloques, y el tercer cuociente representa lo que Barton et al. (1974) denominan
esfuerzo “activo”. Los
parámetros que definen estos cuocientes son
RQD
es la designación de la calidad de la roca definida por Deere et al. (1967),
que puede variar
de 0 (macizos rocosos de muy mala calidad) a 100 (macizos rocosos de excelente
calidad).
Jn
es un coeficiente asociado al número de sets de estructuras presentes en el
macizo rocoso
(Joint Set Number), que puede variar de 0.5 (macizo masivo o con pocas
estructuras) a 20
(roca totalmente disgregada o triturada).
es un coeficiente asociado a la rugosidad de las
estructuras presentes en el macizo rocoso
(Joint Roughness Number), que puede variar de 0.5 (estructuras planas y pulidas)
a 5 (estructuras poco persistentes espaciadas a más de 3 m).
es un coeficiente asociado a la condición o grado de
alteración de las estructuras presentes
en el macizo rocoso (Joint Alteration Number), que puede variar de 0.75
(vetillas selladas en
roca dura con rellenos resistentes y no degradables) a 20 (estructuras con
rellenos potentes
de arcilla).
es un coeficiente asociado a la condición de aguas en
las estructuras presentes en el macizo rocoso (Joint Water Reduction Factor),
que puede variar de 0.05 (flujo notorio de aguas,
permanente o que no decae en el tiempo) a 1 (estructuras secas o con flujos
mínimos de
agua).
Jr
Ja
Jw
- Q.1 -
SISTEMAS DE CALIFICACION Y CLASIFICACION GEOTECNICA DE MACIZOS ROCOSOSMETODO
DEL INDICE Q
Prof. Antonio Karzulovic
es un coeficiente asociado al posible efecto de la condición de esfuerzos en el
macizo rocoso (Stress Reduction Factor), que puede variar de 0.05
(concentraciones importantes de esfuerzos en roca competente) a 400 (potencial
ocurrencia de estallidos de roca).
SRF
Cálculos
(1)
El RQD del macizo rocoso se determina en base al mapeo geotécnico de los
testigos de sondajes geotécnicos, en la forma que se ilustra en el esquema de
Figura 1. Debe tenerse presente
que
(a)
Intervalos de 5 puntos para RQD son suficientemente precisos (e.g. 100, 95, 90,
etc.).
RQD =
L = 38 cm
L = 17 cm
L = 0 cm
L = 20 cm
L = 43 cm
LT = 200 cm
SIN TROZOS > 10 cm
LONGITUD TOTAL DEL
TRAMO
RQD =
∑Trozos de longitud ≥ 10 cm ×100 (%)
Longitud total del
tramo
38 + 17 + 0 + 20 + 43 + 0
×100 (%
200
RQD = 59 % (REGULAR)
RQD (%)
Calidad Geotécnica
< 25
MUY MALA
25 a 50
SIN RECUPERACION
REGULAR
75 a 90
L = 0 cm
MALA
50 a 75
FRACTURA FRESCA
CAUSADA POR EL
PROCESO DE PERFORACION
BUENA
90 a 100
EXCELENTE
Figura 1: Esquema que ilustra la definición del índice RQD para designar la calidad del macizo
rocoso (Deere & Deere (1988)).
(b
(2)
Si RQD es menor o igual que 10, entonces debe considerarse un valor de 10 para
evaluar
el índice Q.
El coeficiente Jn se calcula en función del número de sets de estructuras
presentes en el macizo
rocoso, en la forma que se indica en Tabla 1. Debe tenerse presente que:
(a)
(b)
(3)
En el caso de intersecciones de túneles debe multiplicarse por 3 elvalor de Jn.
En el caso de portales de túneles debe multiplicarse por 2 el valor de Jn.
El coeficiente Jr se calcula en función de la rugosidad de
las estructuras más débiles. Si éstas
están favorablemente orientadas, entonces deberá escogerse el set más débil de
todas las estructuras desfavorablemente orientadas para evaluar Jr. El valor de
Jr se calcula como
se indica
en Tabla 2. Debe tenerse presente que:
(a)
Si el espaciamiento de las estructuras del set considerado es mayor a 3 m, debe
sumarse 1 al valor de Jr.
(b
En el caso de estructuras planas y pulidas que presenten lineamientos, podrá
considerarse que Jr es igual a 0.5 si los lineamientos están favorablemente
orientados
- Q.2 -
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Tabla 1
VALORES DEL COEFICIENTE Jn
Caso
Jn
Condición
- AUMENTA LA BLOCOSIDAD DEL MACIZO →
A
Macizos rocosos masivos, sin o con muy pocas estructuras.
0.5 a 1
B
Macizos rocosos con un único set de estructuras.
2
C
Macizos rocosos con un set de estructuras más
estructuras aleatorias.
3
D
Macizos rocosos con dos sets de estructuras.
4
E
Macizos rocosos con dos sets de estructuras más estructuras aleatorias.
6
F
Macizos rocosos con tres sets de estructuras.
9
G
Macizos rocosos con tres sets de estructuras más estructuras aleatorias.
12
H
Macizos rocosos con cuatro o más sets de estructuras, con muchas estructuras
aleatorias, con bloques cúbicos, etc.
15
J
Macizo rocoso totalmente desintegrado, similara un
suelo granular.
20
Tabla 2
VALORES DEL COEFICIENTE Jr
Caso
Condición
Jr
(a) Hay contacto entre las cajas de la estructura.
---- DISMINUYE LA RUGOSIDAD DE LA ESTRUCTURA ---→
(c)
(4)
(b) Desplazamientos de corte menores que 10 cm producen contacto entre las
cajas de la estructura.
A
Estructuras discontinuas o que presentan puentes de roca.
4
B
Estructuras ondulosas y rugosas (o irregulares).
3
C
Estructuras ondulosas y lisas.
2
D
Estructuras ondulosas y pulidas
1.5
E
Estructuras planas y rugosas.
1.5
F
Estructuras planas y lisas.
1.0
G
Estructuras planas y pulidas
0.5
(c) Los desplazamientos de corte no producen contacto entre las cajas de la
estructura.
H
Estructura con rellenos arcillosos de espesor suficiente como para impedir el
contacto entre las cajas de la estructura.
1.0
J
Estructura con rellenos de roca molida y/o materiales
granulares de espesor suficiente como
para impedir el contacto entre las cajas de la estructura.
1.0
Los casos B a G de Tabla 2 se ordenan de escala menor a escala intermedia, en ese orden.
El coeficiente Ja se calcula en función de la
rugosidad de las estructuras más débiles. Si éstas
están favorablemente orientadas, entonces deberá escogerse el set más débil de
todas las estructuras desfavorablemente orientadas para evaluar Ja. El valor de Ja se calcula como se indica en Tabla
3. Debe tenerse presente que los valores de φjres que se indican
corresponden a
una estimación muy aproximada del ángulo de fricción residual
que tendrían las estructuras.
- Q.3 -
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Tabla 3
VALORES DEL COEFICIENTE Ja
Caso
Condición
φ jres
Ja
(a) Hay contacto entre las cajas de la estructura.
----- A U M E N T A
A
---
0.75
B
Estructuras con cajas no alteradas, que solo presentan pátinas
locales.
25s a 35s
1
C
Estructuras con cajas ligeramente alteradas. Pátinas de materiales que
no se ablandan y libres de finos: arenas, roca molida,
etc.
25s a 30s
2
D
Estructuras con pátinas limo arenosas, con poco contenido de arcillas, que no
se ablandan.
20s a 25s
3
E
Estructuras con pátinas de minerales arcillosos de baja fricción y
que se ablandan (e.g. caolinita, micas, etc.). Estructuras con pátinas de
clorita, talco, yeso, grafito, etc. Estructuras con pequeñas
cantidades de arcillas expansivas (pátinas discontinuas, de 1 a 2
mm de potencia).
8s a 16s
4
LA
Estructuras bien trabadas y selladas con rellenos duros, impermeables, y que no
se ablandan (e.g. cuarzo, epidota, etc.).
ALTERACIÓN
(b) Desplazamientos de corte menores que 10 cm producen contacto entre las
cajas de la estructura.
25s a 30s
4
G
Estructuras con rellenos de arcillas muy preconsolidadas, que no
se ablandan (rellenos continuos, con espesores < 5 mm).
16s a 24s
6
Estructuras con rellenos de arcillas algo a poco preconsolidadas
que se ablandan (rellenos continuos, con espesores < 5 mm).
12s a 16s
8
J
Estructuras con rellenos de arcillas expansivas (e.g. montmorillonita, rellenos
continuos, conespesores < 5 mm). El valor de Ja
depende del
contenido de arcilla, de la exposición al agua, etc.
6s a 12s
8 a 12
LA
Estructuras con rellenos de arenas y/o roca molida,
libres de arcilla.
H
DE
F
ESTRUCTURA
(c) Los desplazamientos de corte no producen contacto entre las cajas de la
estructura.
Estructuras con rellenos de desintegrada o triturada y arcillas (ver
G, H, J para descripciones del material arcilloso).
6s a 24s
6, 8 o 8-12
N
Estructuras con rellenos potentes de arenas limosas o
limoarcillosas, con poco contenido de arcillas (que no se ablandan).
---
5
O, P, R
----→
K, L, M
Estructuras con rellenos potentes de salbanda arcillosa (ver G, H
J para descripciones del
material arcilloso).
6s a 24s
10, 13 o 13-20
(5)
El coeficiente Jw se calcula en función de la condición de aguas observada en
las estructuras
del macizo rocoso, en la forma que se indica en Tabla 4. Debe tenerse presente
que
(a)
Los casos C a F corresponden a estimaciones muy aproximadas. Se puede incrementar
el valor de Jw si se implementan medidas de drenaje (esto debe hacerse con
criterio, considerando como estas medidas podrían
modificar la condición de aguas).
(b
Problemas especiales asociados al congelamiento de las aguas y la formación de
hielo
no se consideran.
(6
El coeficiente SRF está asociado al posible efecto de la condición de esfuerzos
en el macizo rocoso, y puede considerarse una medida de:
(i)
La presión causada por el material suelto, en el caso de un túnel que atraviesa
una zona
de cizalle o un macizo rocoso arcilloso y de malacalidad geotécnica.
- Q.4 -
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Tabla 4
VALORES DEL COEFICIENTE Jw
Caso
--- AUMENTAN LAS INFILTRACIONES
Condición
pw (MPa
Jw
A
Túneles secos o con infiltraciones menores (e.g. 5 lt/min localmente o solo en
algunos sectores)
< 0.1
1
B
Infiltraciones y presiones moderadas, que ocasionalmente causan
el lavado del relleno de las estructuras.
0.1 a 0.25
0.66
C
Infiltraciones y presiones importantes en roca competente con estructuras sin
relleno.
0.50
0.25 a 1.0
D
Infiltraciones y presiones importantes que causan lavado de los rellenos de las
estructuras.
E
Infiltraciones muy importantes y a presión gavilladas por las
tronaduras, pero decaen con el tiempo.
0.33
0.1 a 0.2
> 1.0
--→
F
Infiltraciones excepcionalmente altas con presiones
que continúan
sin decaer con el tiempo.
0.05 a 0.1
pw
es la presión del
agua.
(ii
La concentración de esfuerzos que se produce en la periferia de túneles
excavados en
macizos rocosos competentes.
(iii
Las presiones asociadas al flujo plástico (squeezing) o al hinchamiento
(swelling) que encuentran túneles que cruzan macizos rocosos arcillosos poco
competentes bajo un estado tensional importante, o macizos rocosos arcillosos y
expansivos.
SRF se calcula en la forma que se indica en Tabla 5.
Debe tenerse presente que
(a)
Los valores de SRF deben reducirse en un 25% a 50% si las zonas de cizalle relevantes
solo influencian el túnel, pero no lo intersectan.
(b)Si el estado tensional medido es muy anisotrópico, entonces
Si 5 ≤ S1 / S3 ≤ 10
Si 10 < S1 / S3
(c)
disminuya en un 20%
uniaxial y la resistencia
dos para evaluar SRF.
disminuya en un 40%
uniaxial y la resistencia
dos para evaluar SRF.
los valores de la resistencia en compresión
en tracción de la roca intacta, UCS y TS, usalos valores de la resistencia en
compresión
en tracción de la roca intacta, UCS y TS, usa-
La base de datos del método incluye pocos casos en que la profundidad del techo
del túnel respecto a la superficie del terreno es menor que el ancho del túnel.
Si este es el caso entonces SRF debe incrementarse de
2.5 a 5 (ver H).
El uso del índice Q permite calificar la calidad geotécnica de los macizos
rocosos en una escala logarítmica, que varía desde 0.001 a 1000, y considera 9
clases:
Macizos de calidad Excepcionalmente Mala (Q ≤ 0.01)
Macizos de calidad Extremadamente Mala (0.01 < Q ≤ 0.1)
Macizos de calidad Muy Mala (0.1 < Q ≤ 1)
Macizos de calidad Mala (1 < Q ≤ 4)
Macizos de calidad Regular o Media (4 < Q ≤ 10)
Macizos de calidad Buena (10 < Q ≤ 40)
Macizos de calidad Muy Buena (40 < Q ≤ 100)
Macizos de calidad Extremadamente Buena (100 < Q ≤ 400)
Macizos de calidad Excepcionalmente Buena (400 < Q).
- Q.5 -
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Tabla 5
VALORES DEL COEFICIENTE SRF
Caso
(a)
SRF
Condición
Zonas débiles intersectan la posición que tendrá la excavación subterránea, lo
que puede causar aflojamiento
(loosening) del terreno cuando se desarrolle laexcavación subterránea.
A
Aparecen múltiples zonas débiles que contienen salbanda arcillosa o roca
químicamente desintegrada, con roca suelta en su periferia (a cualquier z).
10.0
B
Aparece una zona débil que contiene salbanda arcillosa o roca
químicamente
desintegrada, con roca suelta en su periferia (z ≤ 50 m).
5.0
C
Aparece una zona débil que contiene salbanda arcillosa o roca
químicamente
desintegrada, con roca suelta en su periferia (z > 50 m).
2.5
D
Aparecen múltiples zonas débiles, con roca suelta en
su periferia, en un macizo
rocoso competente y libre de arcilla (a cualquier z).
7.5
E
Aparece una zona débil, con roca suelta en su
periferia, en un macizo rocoso
competente y libre de arcilla (z ≤ 50 m).
5.0
F
Aparece una zona débil, con roca suelta en su
periferia, en un macizo rocoso
competente y libre de arcilla (z > 50 m).
2.5
G
Macizo rocoso muy fracturado, con estructuras abiertas que definen bloques en
forma de cubos (a cualquier z).
5.0
(b
Macizos rocosos competentes, problemas asociados a concentraciones
de esfuerzos.
UCS/S1
σθ /UCS
SRF
> 200
< 0.01
2.5
10 a 200
0.01 a 0.3
1.0
H
Estado tensional de magnitud baja, estructuras superficiales abiertas.
J
Estado tensional de magnitud moderada, condición de esfuerzos es favorable.
K
Estado tensional de magnitud alta, estructuras bien
trabadas (usualmente favorable para la estabilidad, aunque puede presentar
problemas en las cajas).
5 a 10
0.3 a 0.4
0.5 a 2.0
L
Macizo rocoso masivo que presenta lajamientos moderados 1hora después del
desarrollo de la excavación subterránea.
3a5
0.5 a 0.65
5 a 50
M
Macizo rocoso masivo que presenta lajamientos e incluso estallidos de roca
poco después del
desarrollo de la excavación subterránea.
2a3
0.65 a 1.0
50 a 200
N
Macizos rocosos que sufren notorios estallidos de roca
y deformaciones inmediatas después del
desarrollo de la excavación subterránea.
1
200 a 400
(c
Macizos rocosos que fluyen plásticamente (squeezing rock).
O
El flujo plástico genera presiones leve a moderadas.
P
El flujo plástico genera presiones importantes.
(d)
1a5
5 a 10
>5
10 a 20
Macizos rocosos expansivos (swelling rock), expansión o hinchamiento debido a
reacciones químicas causadas por la presencia de agua.
R
El hinchamiento genera presiones leves a moderadas.
S
El hinchamiento genera presiones importantes.
z es la profundidad de la excavación subterránea.
S1 es el esfuerzo principal mayor in situ
σθ es el máximo esfuerzo tangencial en el contorno de la excavación
subterránea.
- Q.6 -
5 a 10
10 a 15
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Respecto a la precisión de la calificación del macizo rocoso mediante el índice
Q, puede considerarse
lo siguiente:
ΔQ ≈ ± 100
Calidad Excepcionalmente Buena:
400 ≤ Q < 1000
→
Calidad Extremadamente Buena:
100 ≤ Q < 400
→
ΔQ ≈ ± 40
Calidad Muy Buena:
40 ≤ Q < 100
→
ΔQ ≈ ± 8
Calidad Buena:
10 ≤ Q < 40
→
ΔQ ≈ ± 3
Calidad Regular:
4 ≤ Q < 10
→
ΔQ ≈ ± 1.5
Calidad Mala:
1≤Q
