7.3 APLICANDO EL MODELO GEOTECNICO

Crear un modelo geotécnico es una cosa, aplicar la

información que este contiene al diseño de la pendiente

es otra, y siempre existen dudas al respecto. Las

preguntas mas frecuentes están relacionadas

invariablemente con la escala o relación entre el tamaño

de la pendiente que se esta analizando y la resistencia

de la masa de roca y sus defectos; que sistema de

clasificación de masa rocosa se debe usar y porque; y

como el criterio de resistencia hoek Brown generalizado

debe ser usado en diseños de pendientes a cielo abierto.

Estas son tres preguntas y la necesidad de diseñar buenos

flujos para las minas subterráneas y modelos de

distribución de presión de filtración (poros) son

mostrados abajo.

7.3.1 EFECTOS DE ESCALA

El tema del tamaño debe ser direccionado cuando se

este evaluando la resistencia de las fallas que cortan

a través de la masa de roca y la resistencia de la

lasa de roca misma

7.3.1.1 FALLAS

Los efectos sobre la resistencia de corte que

cortan através de la masa de roca son

resaltados en la sección 5.3.2.6 nótese también

que la cantidad de datos concretos sobre el

tema es limitada.

Sin embargo, hay algunos puntos importantes que

deberían ser re-enfatizados

Primero, la experiencia ha demostrado que:

• En régimen de baja y escalas desde 10 m

a 30 m (por ejemplo, desnivel de escala) la

resistencia al corte de pico de estructuras

limpias con paredes de sonido de roca dura

esta definida de nulo a valores muy bajos de

cohesión y ángulos de fricción en el rango

de 45º a 60º.

• A régimen de baja y escalas de 25 a 50 m

(por ejemplo escalas multi-desnivel), las

estructuras selladas sin rellenos arcillosos

tienen picos de resistencia “típicos”

caracterizados por cohesiones en los rangos

de 50 a 150 kPA y ángulos de fricción en los

rangos de 25º a 35º; y

• A régimen de baja y escalas de 50 m a

200m (por ejemplo escala interrumpa), las

estructuras con 10mm o mas de relleno

arcilloso tienen picos de resistencia

“típicos” caracterizados por cohesiones en

los rangos de 0 a 75 kPa, y ángulos de

fricción en los rangos de 18º a 25º.

Segundo, cuando un laboratorio fiable y/o el

análisis de datos de campo no están

disponibles, la caída usual es el criterio

Bardon-Bandis (sección 5.3.2.5 y ecuación

5.3.7) para tomar efectos de escala en cuenta,

Bardon and Bandis (1982) sugirieron relaciones

empíricas (Ecuaciones 5.3.11 y 5.3.12) para

reducir los valores de JRC y JCS. Estas

relaciones y el criterio Barton Bandis deben

sin embargo, ser usados con precaución.

Especialmente, se debe recordar siempre que el

criterio fue establecido para defectos de

origen geológico, significa que son defectos

que se formaron como consecuencia de una falla

delicada (Barton, 1971, 1973), por lo tanto,

los defectos fueron modificados

subsecuentemente por procesos como:

a) El paso de soluciones mineralizadas, las

cuales dejan atrás una gran variedad de

rellenos que van de suave y débil a duro y

fuerte como la arcilla, talco, yeso, pirita

y cuarzo en la capa defectuosa, o

b) Eventos tectónicos, por ejemplo falla o

deformación del plástico como foliación,

hendidura de color pizarra.

Se excluyeron, aunque el criterio tiene la

ventaja de incluir explícitamente los efectos

de la rugosidad de la superficie, a través del

parámetro JRC, y de la magnitud de la presión

normal, a través del ratio (JCS/sn), el efecto

neto de esas exclusiones es que es difícil de

aplicar el criterio Barton- Brandis a muchos de

los entornos geológicos encontrados en

ingeniería de pozos de mina.

Las limitaciones del criterio Barton-Brandis

establecen una preferencia por la prueba de

corte directo de pruebas de campo. Sin embargo,

obtener buenas muestras es siempre difícil.

Este tema, combinado con la dificultad de

realizar pruebas de laboratorio que no

sobreestimen las fallas de la resistencia de

corte, especialmente la cohesión, conduce a una

línea inferior alienta el intercambio y

aplicación de la experiencia ganada operando

minas.

7.3.1.2 MASA DE ROCA

Los términos “roca intacta”, “masa de roca” y

“efectos de escala” son ampliamente usados en

ingeniería de taludes en roca para describir el

hecho de que las propiedades mecánicas son

medidas por prueba de laboratorio de

especimenes de roca pequeños, y estas

propiedades deben ser escaladas a una escala de

campo para incluir el efecto de las “fallas”

como juntas y otras estructuras geológicas

contenidas en la masa de roca. Dado el

conocimiento estándar de que el diámetro del

espécimen debe ser al menos 10 veces el tamaño

del grano mas largo, la situación se torna un

poco irreal. Esto es claramente ilustrado en la

figura 7.3.1, la cual muestra un estándar de 50

mm de diámetro de muestra básica, con micro

fallas comparadas con un tajo unido de masa de

roca y la escala del desnivel (y aunque la

persona en la figura esta usando un casco duro,

el esta en una ubicación potencialmente

peligrosa, una situación que no debería ser

permitida en las minas hoy).

“Ajuste” en terminos de “Calidad geotécnica” de la masa de roca

Propiedades de la roca (Especimenes de roca, laboratorio)

Propiedades de la masa de roca

(Pendientes rocosas, Campo)

Figura 7.3.1: Prueba de Laboratorio comparada

con la situación del campo escalado

El corazón del problema es que las estructuras

geológicas tienen diferentes “tamaños”, y los

únicos a ser incluidos en la masa de roca

dependerán de la altura de la pendiente y el

volumen considerado.

Por ejemplo, las juntas pueden ser incluidas

como parte de la fabricación de puentes de roca

cuando se analiza la estabilidad de una

pendiente en general, pero considerada

explícitamente como estructuras discontinuas

para análisis de estabilidad de desnivel, por

lo tanto, las líneas de bloque de la masa de

roca dependerán de del “tamaño” relativo de sus

bloques con respecto al “tamaño” de la

pendiente que esta siendo analizada. En la

figura 7.3.2, la misma masa de roca podría

comportarse como muy dura para un alcance

general, dura para escala inter-rampa, y en

general casi maciza en la escala de desnivel.

Bench= desnivel

Interramp slope= pendiente interrumpas

Overall slope= pendiente en general

Geological fault= falla geológica

Figure 4.3.2 Esquema mostrando como el bloque

de de la masa de roca depende del volumen

considerado

Hasta ahora, cunado consideramos el diseño del

hoyo de la pendiente la solución aceptada a la

dificultad usualmente es considerar juntas

explícitamente como estructuras discontinuas

para desniveles e escalas interrumpa y como

parte de la fabrica de masa de roca en la

escala global de la pendiente (sección 10.1)

Usualmente, la resistencia de la masa de roca

esta descrita por el criterio Hoek=Brown

(sección 5.3.3), con el practicante siendo

dejado a decidir sobre la aplicabilidad del

criterio de acuerdo a la escala percibida y la

condición de anisotropía de la masa rocosa,

casado en el criterio representado en el

diagrama mas conocido como Hoek-Brown mostrado

en la figura 7.3.3.

Intact rock especimens =Especimenes intactos de roca

One Joint set - do not use Hoek Brown criterion = una junta - no usar criterio Hoek-Brown

Two join sets - do not use Hoek Brown criterion == dos juntas - no usar criterio Hoek-Brown

Many Joint sets – use equation 1 with caution = muchas juntas – usar ecuación 1 con cuidado

Figura 3 7.3.3: Transición de masa rocosa

intacta duramente juntado (unido) con

incremento del tamaño de muestra.

Sin embargo el criterio Hoek-Brown no soluciona

el efecto de la escala. Sjoberg (1999) resalto

la importancia de la escala en el análisis,

como esta ilustrado en la figura 7.3.4, pero

hasta ahora una función de escalado usable ha

permanecido difícil de realizar. Sin embargo,

se ha conseguido un gran avance recientemente.

Intact rock (Laboratory specimen)= roca intacta (Espécimen de laboratorio)

Pillar (underground mining) = Pilar (minería subterránea)

Bench slope=Pendiente desnivel

Interramp slope=pendiente interrumpa

Overall pit slope = talud general

Figura 7.3.4: Efecto de escala resistencia de

roca maciza (Sjoberg, 1999)

Los estudios actualmente en curso con el

proyecto de investigación gran hoyo abierto

(LOP) han demostrado que el modelo de roca

maciza sintética (sección 5.5.6) puede proveer

una capa de resistencia que honra la

resistencia del material intacto y la

fabricación de de juntas a diferentes escalas.

Inicialmente, la prueba biaxial en 2D de

realizo en un diámetro simulado de pruebas SRM

de 20m 50m y 100m (figura 7.3.5), las cuales

proveyeron las distintamente diferentes curvas

de estiramiento-tensión mostradas en la figura

7.3.6.

Pruebas biaxiales PFC2D para diferentes tamaños de prueba

• constante DFN

• relación de aspecto 2:1

figura 7.3.5: muestras de prueba biaxial en

diferentes tamaños 2d (cortesia de itasca

consulting group, inc)

Resultados biaxiales PFC2D preliminares para diferentes escalas: juntas friccionales

Ingreasing Specimen Scale = aumento de escala de muestra

Figura 7.3.6 Resultados de pruebas realizadas

en pruebas de muestra biaxial 2D mostradas en

la figura 7.3.5 (Cortesía de Itasca Consulting

Group, Inc.)

Los resultados prometedores de estas pruebas

iniciales fueron llevadas adelante en series de

pruebas 3D con diferentes tamaños de muestra

usando roca intacta e información estructural

de diferentes minas patrocinadoras del proyecto

LOP. Las figuras 7.3.7 es un ejemplo de una

serie de esas pruebas en rocas de carbonatita

de Palabora, la resistencia intacta de la

carbonatita se obtuvo de una prueba de rutina

en el laboratorio y el tejido estructural del

subsuelo y el plano superficial.

Se probaron la escala simulada de laboratorio y

los cubos de carbonatita de 20m, 40m y 80m. los

resultados se muestran en la figura 7.3.8.

Ellos muestran valores decrementales con

tamaños de muestra incrementales, que reflejan

la relación conceptual mostrada en la figura

7.3.4.

MUESTRAS DE CARBONATITA SRM

Figura 7.3.7: muestras de prueba para cubos 3D

de diferentes tamaños de Carbonatita (Cortesía

Itasca Consulting Group. Inc.)

ESCALA DE EFECTOS DE LA CARBONATITA

Strain from Peak to 50% peak = tensión de pico a pico 50%

UCS, E and brittleness all decrease with increasing scale.= Tanto UCS E y la sensibilidad disminuyen con el aumento de la escala

UCS y XES apeear to level out at scale of 40 = UCS y E parecen nivelarse en la escala de 40m

Figura 7.3.8: Resultados de la prueba de

carbonatita, mostrando la disminución de la

resistencia y los valores E con tamaño de

muestra incremental (Cortesía Istaca Consulting

Group, Inc.)

Los resultados de la resistencia de

carbonatita SRM y Hoek-Brown fueron comparados

y se muestran en la figura 7.3.9. están en

curso pruebas y comparaciones similares en

diferentes tipos de roca de diferentes minas,

incluyendo estudios del efecto de diferentes

direcciones de carga en las muestras. Los

resultados se reportaran a domino publico como

parte de los estudios del proyecto LOP.

CARBONATITA SRM VS HOEK-BROWN UCS

- SRM UCS likely to vary significantly with loading direction = los SRM UCS tienden a variar significativamente con la dirección de carga.

Figura 7.3.9: Comparación de valores de

resistencia de carbonatita SRM y Hoek Brown

(Cortesía de Itasca Consulting Group)

7.3.2 SISTEMAS DE CLASIFICACION

Como se anoto en la sección 5.4.1, en minería de tajo

abierto los esquemas de clasificación mas usados son

el modelo Bienawski RMR, los modelos IRMR y MRMR de

Laubscher, y el modelo GSI Hoek-Brown, siendo los

modelos Laubscher y Hoek-Brown frecuentemente usados,

intercambiables cuando se estima la masa de roca

usando el criterio Hoek-Brown.

Para evitar el mal uso o la mala aplicación de los

modelos de Laubscher MRMR y GSI Hoek-Brown en el

criterio Hoek-Brown, se deben entender algunas

diferencias básicas entre los modelos, se mencionan

dos puntos:

1. El modelo GSI Hoek-Brown es un modelo basado en RQD

que se origina del esquema de clasificación RMR

de Bienawski en 1976. Los valores GSI en la tabla

5.4.14 son mayores a 25 son exactamente los mismos

a aquellos del esquema de bienawski de 1976. Cuando

se usa el modelo, se deben adoptar los siguientes

procedimientos:

* Mapeo de la superficie; los valores GSI deben

obtenerse de la tabla 5.4.14; y

* registro del pozo; los valores GSI se deben

obtener vía el RMR de Bienawski 1976. Si el RMR

de Bienawski 1979 es usado, como algunas veces

pasa, el valor GSI es (RMR 1979 -5)

2. El modelo MRMR de Laubscher es un modelo de quiebre

basado en frecuencia. Esto es porque fue

desarrollado primeramente para aplicaciones en

subsuelo, es la razón por la que tiene un factor de

ajuste, para minería de tensión inducida. Además

contiene factores de ajuste para climatología,

orientación de estructuras, voladura, agua (Figura

5.4.2) si se esta pensando usar valores MRMR en

lugar de valores GSI en el cálculo de resistencia

de roca maciza Hoek-Brown, entonces se sugiere:

* Ya que los valores se usaran en tajo abierto, no

en un ambiente de subsuelo, los ajustes no deben

hacerse para minería de tensión.

* El ajuste no debe hacerse para agua, así como con

GSI, cualquier poro de presión en la roca maciza

debe ser representado en los análisis de

estabilidad.

* No se debe tratar de convertir los valores de

quiebre de frecuencia a valores RQD para migrar

de MRMR a GSI o viceversa, Priest & Hudson

(1979) y Bienawski (1989) sugieren factores de

conversión, pero su uso no es recomendado.

Existen dos razones, el sesgo direccional

asociado a RQD y el empirismo de las

correlaciones sugeridas, pueden introducir aun

mas errores e incertidumbres en los

procedimientos que ya son empíricos y contienen

altos niveles de incertidumbre (sección 8.5.1);

y

• si se ha hecho un ajuste para voladura, hágalo

un poco mas claro que el ajuste que se hizo, así

no hay doble conteo cuando se trate con el

factor D de perturbación en el criterio de

resistencia Hoek-Brown.

7.3.3 CRITERIO DE RESITENCIA DE ROCA MACIZA DE HOEK-BROWN

Aunque pareciera que el modelo SRM proveerá una capa

de resistencia que honre la resistencia del material

intacto y la estructura de junta en una roca maciza a

diferentes escalas, hasta que esta no se haya probado

y verificado completamente mediante la experiencia es

un hecho que el criterio HOek-Brown seguirá

manteniéndose como el criterio de resistencia a

escoger.

Cuando se usa el criterio Hoek-Brown los usuarios

deben entender los orígenes del criterio y de que es

una relación empírica, no constitutiva para una roca

maciza ostensible, homogénea e isotrópica (figura

7.3.3) deben entender no solo que es lo que hacen,

sino también los valores que están usando y de donde

provienen estos. Específicamente deben hacer las

siguientes dos cosas:

1. chequear la veracidad de los valores beta c,

mi y GSI que están usando. Las preguntas que se

deben hacer son:

• Representan los valores beta c propiamente la

resistencia compresiva uniaxial de la roca

intacta,

• Fueron los valores mi obtenidos de pruebas de

laboratorio triaxiales en muestras de la roca

intacta o fueron valores indicativos obtenidos de

tablas suplementarias (Ejm. tabla 5.5.4); y

• Fueron los valores GSI derivados de mapeo de

campo o del registro de los pozos, o de la

combinación de ambos?

A menos que estas preguntas puedan ser absueltas en

su totalidad, es extremadamente dificultoso para

cualquiera evaluar la confiabilidad de la

información relacionada a los niveles objetivo de

información confiable que son expresados en la tabla

8.5.1.

2. Entender las implicaciones del factor de

perturbación, D, en sus decisiones. Se debe

comprobar si los valores GSI se originan de valores

MRMR y si es así o no tanto como si los valores GSI

han sido ajustados para voladura, además deben tener

un claro entendimiento de la probable profundidad de

la zona afectada por la detonación en las paredes

del hoyo. Cono se nota en la sección 5.5.3, la

influencia del parámetro puede ser grande y su

aplicación requiere experiencia y juicio. El valor

mas alto de D (D=1) efectivamente reduce la cohesión

de la roca maciza por un factor de dos, lo cual es

una particular reducción severa (o castigo) de la

resistencia de la roca maciza.

7.3.4 CONSIDERACIONES DE POROS DE PRESION

Las presiones de poros controlan la tensión efectiva

de la roca maciza en las paredes del(a) pozo (mina).

Actuando dentro de la roca maciza articulada, las

presione de poros incrementados reducen la tensión

efectiva la cual, a su vez conduce a una reducción en

la resistencia al corte de la roca maciza, como se

noto en la sección 2.5.1. Esos poros de presión son

usualmente el único elemento de un diseño de pendiente

que pueden ser fácilmente modificados por intervención

artificial. Desafortunadamente, en un preocupante gran

numero de minas el modelo de flujo subterráneo y el

entendimiento de la distribución de presione de poro

en la roca maciza detrás de las paredes del pozo

(mina) es raro.

Las excusas usuales para la falta de un buen modelo de

flujo subterráneo son el tiempo de entrega requerido y

el costo de capital de obtener la data necesaria para

construir el modelo. Se ha reconocido que el costo es

un problema. Sin embargo, la falta de u buen modelo

para soportar el diseño de la pendiente es casi seguro

que dará como resultado un diseño conservador, por

ello la temprana caracterización del régimen

hidrológico de escala regional y minas, se considera

de importancia primordial.

En las tablas 6.4.1 y 8.5.1 se sugiere que las

encuestas subterráneas regionales deben ser realizadas

durante los estudios del proyecto conceptual (nivel 1)

y que el transporte aéreo de las mimas de escala,

pruebas de bombeo y embalaje para establecer

parámetros hidrogeológicos iniciales, deben al menos

ser empezados durante la prefactibilidad (nivel 2) del

proyecto. Y el sensible “respaldo de alcancía” del

programa de recolección de data en explotación mineral

y programas de perforación de recursos en esta etapa

del programa (seccion2.5.1.2) puedan ir en un largo

camino hacia ala reducción del costo de obtener la

data. Por el momento los estudios de inicio de la

viabilidad del proyecto (nivel 3), la instalación del

piezómetro, zona de bombeo y pruebas de transporte

basadas en la información recolectada durante los

estudios de prefactibilidad son un requisito

indispensable.