Estudio del impacto del factor "D" en el criterio de rotura de Hoek-Brown sobre los parámetros de resistencia del Macizo Rocoso
Rubén Medinaceli Tórrez1
1 Carrera de Ingeniería de Minas, Petróleos y Geotecnia- Facultad Nacional de Ingeniería - Universidad Técnica de Oruro - Oruro - Bolivia
Resumen
El artículo investiga cómo el factor de alteración "D" afecta los parámetros de resistencia y deformación en diferentes tipos de macizos rocosos. Se encontró que a medida que el valor de "D" aumenta, la resistencia global (σcm) y el ángulo de fricción (Φ) disminuyen, siendo esta reducción más pronunciada en macizos de mala calidad geotécnica, donde la resistencia puede disminuir hasta un 84%. Este hallazgo destaca la importancia de considerar el factor "D" en el diseño de perforación y voladura en estos macizos, que son altamente sensibles al impacto de la voladura. Además, se observó que el módulo de deformación (Em) también disminuye con el aumento de "D", mostrando una reducción del 50% en todos los casos analizados. Aunque esta reducción es menos marcada que en la resistencia global, sigue siendo un factor importante a considerar en los modelos de macizos rocosos. En resumen, el estudio resalta la influencia significativa del factor "D" en la resistencia y deformación de los macizos rocosos, subrayando la necesidad de considerar este factor en el diseño y análisis de proyectos geotécnicos. Palabras clave: Macizo rocoso, Factor de alteración, parámetros.
The article investigates how the alteration factor "D" affects the strength and deformation parameters in different rock masses. It was found that as the value of "D" increases, the global strength (σcm) and the friction angle (Φ) decrease, with this reduction being more pronounced in poor geotechnical quality rock masses, where strength can decrease by up to 84%. This finding highlights the importance of considering the "D" factor in the design of drilling and blasting in these rock masses, which are highly sensitive to blasting impact. Additionally, it was observed that the modulus of deformation (Em) also decreases with increasing "D", showing a 50% reduction in all analyzed cases. Although this reduction is less pronounced than in global strength, it remains an important factor to consider in rock mass models. In summary, the study emphasizes the significant influence of the "D" factor on the strength and deformation of rock masses, underlining the need to consider this factor in the design and analysis of geotechnical projects. Keywords: Rock mass, Disturbance factor, parameters.
1. INTRODUCCIÓN
El criterio de rotura de Hoek-Brown es una herramienta fundamental en la ingeniería geotécnica para predecir la resistencia de los macizos rocosos. Entre los parámetros que conforman este criterio, el factor "D" desempeña un papel crucial al considerar la influencia de la deformación in situ en la resistencia del macizo rocoso. Su correcta determinación y aplicación son fundamentales para realizar pronósticos precisos de la estabilidad de las excavaciones y otras estructuras en macizos rocosos.
Este estudio se centra en investigar el impacto del factor "D" en el criterio de rotura de Hoek-Brown sobre los parámetros de resistencia del macizo rocoso. Para ello, se ha seleccionado un macizo rocoso con características específicas, sobre el cual se variará el factor "D" en un rango de 0 a 1 en incrementos de 0,1. Se utilizará el software RSdata para realizar los cálculos necesarios y analizar los resultados.
El objetivo principal de este estudio es proporcionar una comprensión más profunda de cómo varía el factor "D" y cómo esta variación afecta las características de resistencia del macizo rocoso. Los resultados obtenidos permitirán mejorar la precisión en la estimación de la resistencia de los macizos rocosos en proyectos de ingeniería geotécnica, contribuyendo así al desarrollo de prácticas más seguras y eficientes en este campo.
2. MARCO TEÓRICO
]]> El criterio de Hoek-Brown generalizado es expresado por:
Donde mb es un valor calculado a partir de la constante del material mi con la siguiente expresión:
Las constantes relacionadas al macizo rocoso son m y a, los cuales son calcualdos por:
El GSI es el Índice de Resistencia Geológica (Geological Strength Index) introducido por: Hoek et al., (1992), Hoek, (1994), Hoek et al.,(2000), Hoek et al.,(2016) y Hoek y Brown (2019).
El factor "D" está principalmente influenciado por el grado de modificación que ha experimentado el macizo rocoso, ya sea debido a la acción de voladuras o a la redistribución de esfuerzos. Su valor oscila entre 0, que corresponde a macizos rocosos inalterados, y 1, que representa macizos rocosos altamente alterados. (Hoek et al., 2016).
En Hoek et al. (2016) menciona que resultados considerados optimistas son obtenidos con D = 0, base a los estudios de Sjöberg (2001) y Pierce et al. (2001), se establece que efectos de la voladura en el macizo provocan que el macizo rocoso se altere y que por estas razones los más apropiado sea trabajar con parámetros de macizo rocoso alterado es decir D = 1. Es citado el retro análisis realizado por Cheng y Liu (1993) donde se establece que los daños de la voladura se extienden alrededor de 2 m, y que los parámetros del macizo rocoso en esas condiciones fueron calculados con D = 0,7.
Hoek y Brown (2019) establece que, en el caso de los túneles, la elección del factor "D" en el cálculo de los parámetros del macizo rocoso es particularmente importante ya que la cantidad limitada de espacio disponible en un túnel significa que cualquier falla puede tener un impacto grave en el cronograma y el costo de excavación e incluso en el desempeño del túnel final y que, en un túnel excavado con perforación y voladura, el diseño y la ejecución de la voladura son de importancia crítica.
]]> La Tabla 1 sugiere valores de D en base a las referencias citadas y otras tomadas en cuenta por Hoek et al. (2016) y Hoek y Brown (2019)La sensibilidad del criterio generalizado de Hoek y Brown (1988), Hoek et al. (2016) y Hoek y Brown (2019) fue evaluado por Ván y Vásárhelyi (2013) donde concluyen que la sofisticada fórmula empírica de Hoek-Brown es sensible a las incertidumbres de los valores del GSI y del parámetro de alteración (D), conclusión realizada en base a un retro análisis.
3. CÁLCULOS
El análisis será realizado en tres tipos de macizos rocosos:
1. Macizo de una muy buena calidad geotécnica
2. Macizo de regular calidad geotécnica
]]> 3. Macizo de mala calidad geotécnica
Los datos de la resistencia de la roca intacta (σci) , constante de Hoek-Brown (mi) y el Índice Geológico de Resistencia (GSI) fueron tomados de Hoek & Brown (1997) y son mostrados en la Tabla 2.
Para cada uno de los 3 macizos rocosos se realizará el cálculo de la resistencia global del macizo rocoso (σcm) , la resistencia en tracción del macizo rocoso (σtm) , el módulo de deformación (Em) , la cohesión (c') y el ángulo de fricción interna (Φ'), haciendo variar el factor de alteración "D", para poder evaluar la variabilidad de estos parámetros tan importantes para el diseño en macizos rocosos.
Para los cálculos será utilizado el software RSData de Rocscience.
Las Figuras 1, 2 y 3 muestran los resultados del cálculo de parámetros para los 3 macizos rocosos.
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En las Figuras 1, 2 y 3 se puede apreciar cómo los parámetros calculados varían en función del factor de alteración "D" para distintos tipos de macizos rocosos. En todos los casos, se observa una disminución en los valores de los parámetros a medida que aumenta el valor de "D".
Esto concuerda con la teoría de Hoek-Brown, donde un valor de D = 0 indica una calidad de voladura excelente y un macizo no alterado, mientras que un valor de D = 1 indica un macizo altamente alterado por la voladura. Este patrón se refleja en todos los parámetros presentados en las Figuras 1, 2 y 3.
En la Figura 1, que representa los parámetros de un macizo con excelente calidad geotécnica, se observa que la resistencia global (σcm) disminuye de aproximadamente 70 MPa para D = 0 a 42 MPa para D = 1, lo que representa una reducción de casi el 50%. Del mismo modo, el ángulo de fricción <p disminuye de 45° para D = 0 a 38° para D = 1. Esta disminución, aunque significativa, ilustra cómo el factor "D" afecta a los parámetros del macizo rocoso.
]]> Es especialmente relevante cuando se compara con los parámetros de un macizo de mala calidad geotécnica mostrados en la Figura 3, donde σcm disminuye de 2 MPa para D = 0 a 0,5 MPa para D = 1. Esta reducción en los parámetros de resistencia del macizo rocoso es aproximadamente del 84% y mucho más pronunciada en los macizos de mala calidad geotécnica. El ángulo de fricción interna reduce de 22° a 8o. Por lo tanto, es crucial tener precaución en el diseño de perforación y voladura en tales macizos, ya que son altamente sensibles al impacto de la voladura.
Tabla 1. Guías para estimar el factor de alteración "D". (Hoek & Brown, 2019)
Tabla 2. Parámetros de los macizos rocosos evaluados.
El valor de σt tiende a aproximarse a 0 a medida que el factor "D" se acerca a 1, lo cual es consistente con lo que se observa en la práctica.
El módulo de deformación Em también disminuye con el aumento de D, mostrando una reducción del 50% en los tres casos analizados. A diferencia de la resistencia global (σcm), esta reducción es consistente independientemente de la calidad del macizo rocoso. El valor de Em es crucial para realizar modelos en macizos rocosos, y aunque es sensible al valor de D, la diferencia de valores no es tan pronunciada como en el caso de (σcm).
]]> Figura 1. Resultados Macizo de muy buena calidad geotécnica.
Figura 2. Resultados Macizo de regular calidad geotécnica.
Figura 3. Resultados Macizo de mala calidad geotécnica.
5. CONCLUSIONES
Las conclusiones obtenidas de este estudio resaltan la influencia significativa del factor de alteración "D" en los parámetros de resistencia y deformación de los macizos rocosos. Los resultados muestran que a medida que el valor de "D" aumenta, los valores de resistencia global (σcm), y ángulo de fricción (Φ) tienden a disminuir, lo que indica una mayor alteración del macizo rocoso.
]]> Es importante destacar que esta reducción en los parámetros es más pronunciada en macizos de mala calidad geotécnica, donde la resistencia puede disminuir hasta en un 84%. Esto resalta la importancia de considerar el factor "D" en el diseño de perforación y voladura en estos macizos, ya que son altamente sensibles al impacto de la voladura.Por otro lado, se observa que el módulo de deformación (Em) también se ve afectado por el factor "D", mostrando una reducción del 50% en todos los casos analizados. Aunque esta reducción es menos marcada que en el caso de la resistencia global, sigue siendo un factor importante a tener en cuenta en los modelos de macizos rocosos.
En resumen, este estudio subraya la relevancia del factor "D" en la descripción de la resistencia y deformación de los macizos rocosos, enfatizando la importancia de su consideración en el diseño y análisis de proyectos geotécnicos. La estimación de este valor debe basarse en las directrices proporcionadas en la Tabla 1, así como en las características geotécnicas específicas del macizo. No obstante, es fundamental no descuidar el control de la voladura, ya que puede afectar significativamente los parámetros del macizo rocoso.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Ván, P., & Vásárhelyi, B. (2013). Sensitivity analysis of the generalized Hoek-Brown failure criterion. ISRM EUROCK, ISRM-EUROCK. [ Links ]
Artículo recibido en: 12.09.2024
Artículo aceptado: 28.09.2024
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