Clasificación de masa de pendiente

Esquema de clasificación de la resistencia de las rocas

La clasificación de masa de pendiente ( SMR , por sus siglas en inglés) es un esquema de clasificación de masas rocosas desarrollado por Manuel Romana ^{[1] [2] [3]} para describir la resistencia de un afloramiento rocoso o pendiente individual. El sistema se basa en el esquema RMR más utilizado, ^[4] que se modifica con pautas cuantitativas para evaluar la influencia de las orientaciones adversas de las juntas (por ejemplo, juntas que se inclinan abruptamente hacia afuera de la pendiente).

La clasificación de masas de pendientes se ha utilizado ampliamente en todo el mundo. Se ha incluido en las reglamentaciones técnicas de algunos países como un sistema de clasificación por sí mismo o como un índice de calidad para pendientes rocosas (por ejemplo, India, Serbia, Italia). ^{[5] [6]} También se ha utilizado en más de 50 países en los cinco continentes, especialmente en Asia (por ejemplo, China e India), donde su uso es muy común. ^{[5] [6]}

Definición

Los esquemas de clasificación de masas rocosas están diseñados para tener en cuenta una serie de factores que influyen en la resistencia y la deformabilidad de una masa rocosa (por ejemplo, orientaciones de las juntas, densidad de fracturas, resistencia intacta) y pueden usarse para cuantificar la competencia de un afloramiento o material geológico particular. Las puntuaciones suelen oscilar entre 0 y 100, siendo 100 la masa rocosa más competente. El término masa rocosa incorpora la influencia tanto del material intacto como de las discontinuidades en la resistencia general y el comportamiento de un medio rocoso discontinuo. Si bien es relativamente sencillo probar las propiedades mecánicas de la roca intacta o de las juntas individualmente, describir su interacción es difícil y hay varios esquemas de clasificación empíricos (como RMR y SMR) disponibles para este propósito.

Cálculo del índice SMR

SMR utiliza las mismas primeras cinco categorías de puntuación que RMR :

1. Resistencia a la compresión uniaxial de roca intacta,
2. Designación de calidad de roca (o RQD),
3. Espaciamiento entre juntas,
4. Condición articular (la suma de cinco subpuntuaciones), y
5. Condiciones de las aguas subterráneas.

La sexta categoría final es un ajuste de calificación o penalización por orientaciones adversas de las juntas, lo que es particularmente importante para evaluar la competencia de un talud rocoso. SMR proporciona pautas cuantitativas para evaluar esta penalización de calificación en forma de cuatro subcategorías, tres que describen la pendiente de roca relativa y las geometrías del conjunto de juntas y una cuarta que da cuenta del método de excavación del talud. SMR aborda los modos de falla por deslizamiento planar y por vuelco; originalmente no se hizo ninguna consideración adicional para el deslizamiento en múltiples planos de juntas. Sin embargo, Anbalagan et al. ^[7] adaptaron la clasificación original para el modo de falla en cuña.

La calificación final del SMR se obtiene mediante la siguiente expresión: ^{[8] [9]}

${\displaystyle SMR=RMR_{b}+F_{1}\times F_{2}\times F_{3}+F_{4}}$

Factores de ajuste para SMR. P: falla plana; T: falla por vuelco; W: falla por cuña. Modificado de ^[10] y ^[11]

dónde:

• RMR _b es el índice RMR resultante de la clasificación de macizos rocosos de Bieniawski sin ninguna corrección.
• F ₁ depende del paralelismo entre la discontinuidad, α _j (o la línea de intersección, α _i , en el caso de falla de cuña) y la dirección de inclinación de la pendiente.
• F ₂ depende del buzamiento de la discontinuidad (β _j ) en el caso de falla plana y del buzamiento, β _i de la línea de intersección en caso de falla en cuña. En lo que respecta a la falla por vuelco, este parámetro toma el valor 1.0. Este parámetro está relacionado con la probabilidad de resistencia al corte de la discontinuidad.
• F ₃ depende de la relación entre la pendiente (β _s ) y la inclinación de la discontinuidad (β _{j ) (casos de vuelco o falla plana) o la inclinación de la línea de inmersión (β i} ) (caso de falla en cuña). Este parámetro conserva los factores de ajuste de Bieniawski que varían de 0 a −60 puntos y expresan la probabilidad de afloramiento de discontinuidad en la cara de la pendiente para falla plana y en cuña.
• F ₄ es un factor de corrección que depende del método de excavación utilizado.

Aunque el SMR se utiliza en todo el mundo, a veces se cometen algunas interpretaciones erróneas e imprecisiones cuando se aplica. La mayoría de las imprecisiones observadas están relacionadas con el cálculo de las relaciones angulares auxiliares entre las inclinaciones y las direcciones de inclinación de las discontinuidades y la pendiente necesaria para determinar los factores F ₁ , F ₂ y F ₃ . Se puede encontrar una definición completa de estas relaciones angulares en ^{[12] .}

Modificaciones del índice SMR

SMR continuo (C-SMR)

Tomás et al. ^[13] propusieron funciones continuas alternativas para el cálculo de los parámetros de corrección F ₁ , F ₂ y F ₃ . Estas funciones muestran diferencias absolutas máximas con funciones discretas menores a 7 puntos y reducen significativamente las interpretaciones subjetivas. Además, las funciones propuestas para el cálculo de los factores de corrección SMR reducen las dudas sobre qué puntuación asignar a los valores cercanos al borde de la clasificación discreta.

_{La función continua F 1} propuesta que mejor se ajusta a los valores discretos es:

${\displaystyle F_{1}={\frac {16}{25}}-{\frac {3}{500}}\arctan \left({\frac {1}{10}}\left(|A|-17\right)\right)}$

donde el parámetro A es el ángulo formado entre la discontinuidad y el rumbo de la pendiente para los modos de falla plana y de vuelco y el ángulo formado entre la intersección de las dos discontinuidades (la dirección de hundimiento) y la dirección de buzamiento de la pendiente para la falla en cuña. La función arcotangente se expresa en grados.

${\displaystyle F_{2}={\begin{cases}{\frac {9}{16}}+{\frac {1}{195}}\arctan \left({\frac {17}{100}}B-5\right),&{\text{for planar and wedge failure}}\\1,&{\text{for toppling failure}}\end{cases}}}$

donde el parámetro B es la inclinación de la discontinuidad en grados para falla plana y la inclinación de la intersección para falla en cuña. Nótese que la función arcotangente también se expresa en grados.

${\displaystyle F_{3}={\begin{cases}-30+{\frac {1}{3}}\arctan C,&{\text{for planar and wedge failure}}\\-13-{\frac {1}{7}}\arctan \left(C-120\right),&{\text{for toppling failure}}\end{cases}}}$

donde C depende de la relación entre la pendiente y la inclinación de la discontinuidad (casos de vuelco o falla plana) o la inclinación de la pendiente y la inclinación de la línea de inmersión para el caso de falla en cuña. Las funciones arcotangentes se expresan en grados.

Sensor gráfico de movimiento lineal (GSMR)

Alternativamente, Tomás et al. ^[14] también propusieron un método gráfico basado en la representación estereográfica de las discontinuidades y la pendiente para obtener los parámetros de corrección del SMR (F ₁ , F ₂ y F ₃ ). Este método permite obtener fácilmente los factores de corrección del SMR para un talud simple o para diversas aplicaciones prácticas como taludes de infraestructuras lineales, minería a cielo abierto o excavaciones de zanjas.

Otras adaptaciones de SMR

Se han propuesto otros enfoques para adaptar el SMR a diferentes situaciones como pendientes altas, formaciones flysch o incluso materiales heterogéneos. ^{[15] [16]}

Análisis de sensibilidad de la clasificación de masas de pendientes

Un análisis visual en cuatro dimensiones de la clasificación geomecánica SMR, realizado por Tomás et al. ^[17] mediante la metodología Mundos dentro de Mundos para explorar, analizar y visualizar la relación entre los principales parámetros controladores de esta clasificación geomecánica, reveló que existen varios casos en los que la relación geométrica pendiente-discontinuidad apenas afecta la estabilidad del talud (es decir, F ₁ ×F ₂ ×F ₃ ≃0), y como consecuencia, el SMR se puede calcular corrigiendo el RMR básico solo con el factor F ₄ utilizando la siguiente ecuación con un error máximo menor a nueve puntos:

${\displaystyle SMR=RMR_{b}+F_{4}}$

Estos casos en los que la influencia de la geometría de la pendiente y las discontinuidades es despreciable (es decir, F ₁ ×F ₂ ×F ₃ ≃0) son:

a) Por falla planar

• βs < _βj ;_​
• Un valor superior a 30º y β _j < 20º

b) Por falla de cuña

• βs < _βi ;_​
• Un valor superior a 30º y β _i ; < 20 °C) Para fallo por vuelco
• β _j < 30º
• Un valor superior a 30º
• β _j + β _s ≤ 120º

Donde β _s es el ángulo de la pendiente, β _j es la inclinación de la discontinuidad, β _i es la inclinación de la línea de intersección entre dos discontinuidades y A es el paralelismo entre la discontinuidad (o línea de intersección para cuñas) y las direcciones de inclinación de la pendiente.

Considerando las situaciones anteriores, podemos evaluar que el índice SMR es insensible a las condiciones geométricas del talud para un número significativo de geometrías plausibles de discontinuidad-talud. En estas situaciones, podemos ignorar el cálculo de los factores F ₁ , F ₂ y F ₃ , que dependen de la geometría del talud y de las discontinuidades, considerando que F ₁ × F ₂ × F ₃ ≃ 0. ^[17] Esta perspectiva puede ser muy útil para ingenieros de campo y geólogos, ya que ayuda a proporcionar valores preliminares aceptables de campo de SMR cuando se identifica cualquiera de las circunstancias mencionadas anteriormente en el talud estudiado, lo que resulta en un ahorro de tiempo significativo. ^[17]

Aplicación del índice SMR

El índice SMR se puede calcular a través del software de código abierto SMRTool ^[18] , que permite calcular el SMR a partir de los datos geomecánicos del macizo rocoso y la orientación del talud y las discontinuidades. Este software se utilizó para calcular el índice SMR utilizando nubes de puntos 3D. ^[19]

SMRTool es un software de código abierto que ayuda a calcular los factores de ajuste de SMR. Representa la relación entre la pendiente y la discontinuidad para comprender los valores de esos factores.

Algunos autores han propuesto diferentes metodologías para mapear la susceptibilidad a fallas en taludes rocosos mediante el cálculo del índice SMR utilizando un Sistema de Información Geográfica (SIG). ^{[20] [21] [22]}

Véase también

• Falla de pendiente
• Desperdicio masivo
• Deslizamiento de montaña
• Clasificación de masa rocosa
• Pendiente Q

Referencias

1. Romana M. (1985). Nuevas clasificaciones de ajuste para la aplicación de la clasificación de Bieniawski a pendientes. Proc. Int. Symp. on the Role of Rock Mechanics: 49-53.
2. Romana M. (1995). Clasificación geomecánica SMR para corrección de pendientes. Proc. Int. Congress on Rock Mechanics 3: 1085-1092.
3. STMR. "STMR Servicio Técnico de Mecánica de Rocas". www.stmr.es (en español) . Consultado el 31 de marzo de 2016 .
4. Bieniawski, ZT (1989). Clasificaciones de masas rocosas para ingeniería: un manual completo para ingenieros y geólogos en ingeniería minera, civil y petrolera . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-60172-2.
5. Romana, M.; Tomás, R.; Serón, JB (10 de mayo de 2015). Clasificación geomecánica de índices de masa de taludes (SMR): revisión de treinta años. 13.° Congreso internacional de mecánica de rocas de la ISRM. Quebec, Canadá. ISBN 978-1-926872-25-4.
6. Tomás, R.; Romana, R.; Serón, JB (2017). "Revisión del estado actual de la clasificación geomecánica SlopeMass Rating (SMR)" Ingeniería Civil (en español europeo). 187 . CEDEX : 53–60.
7. Anbalagan R, Sharma S, Raghuvanshi TK. Evaluación de la estabilidad de la masa rocosa utilizando el método SMR modificado. En: Actas del 6.º Simposio Nacional sobre Mecánica de Rocas, Bangalore, India, 1992. págs. 258–68.
8. Azarafza, M., Koçkar, MK y Zhu, HH (2021). Correlaciones de los datos de pendiente SMR-Q en la clasificación de estabilidad de pendientes de roca discontinua: una relación modificada considerando los datos iraníes. Ingeniería geotécnica y geológica, 1-14
9. Azarafza, M., Nikoobakht, S., Rahnamarad, J., Asasi, F. y Derakhshani, R. (2020). Un método empírico para la correlación entre la calificación de masa de pendiente y la pendiente Q para la provincia de Isfahán, Irán. MethodsX, 7, 101069
10. Romana M. El papel de las clasificaciones geomecánicas en el estudio de la estabilidad de taludes. En: del IV Simposio Nacional sobre taludes y escaleras inestables, vol. 3; 1997:955–1011.
11. Anbalagan R, Sharma S, Raghuvanshi TK. Evaluación de la estabilidad de la masa rocosa utilizando un enfoque SMR modificado. En: Actas del 6.º Simposio Nacional sobre Mecánica de Rocas, Bangalore, India, 1992. págs. 258-68
12. Pastor, José Luis; Riquelme, Adrián J.; Tomás, Roberto; Cano, Miguel (2019-12-01). "Clarificación de los parámetros de calificación de masa de taludes asistida por SMRTool, un software de código abierto". Boletín de Ingeniería Geológica y Medio Ambiente . 78 (8): 6131–6142. Bibcode :2019BuEGE..78.6131P. doi :10.1007/s10064-019-01528-9. hdl : 10045/99191 . ISSN  1435-9537.
13. Tomás, R.; Delgado, J.; Serón, JB (2007-10-01). "Modificación del índice de masa de taludes (SMR) mediante funciones continuas". Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias Mineras . 44 (7): 1062–1069. Código Bibliográfico :2007IJRMM..44.1062T. doi :10.1016/j.ijrmms.2007.02.004.
14. Tomás, R.; Cuenca, A.; Cano, M.; García-Barba, J. (4 de enero de 2012). "Un enfoque gráfico para la clasificación de masas de taludes (SMR)". Ingeniería Geológica . 124 : 67–76. Bibcode :2012EngGe.124...67T. doi :10.1016/j.enggeo.2011.10.004.
15. Romana, M., Serón, JB, Montalar, E., Clasificación geomecánica SMR: aplicación, experiencia y validación ISRM 2003–Hoja de ruta tecnológica para la mecánica de rocas, Instituto Sudafricano de Minería y Metalurgia, 2003.
16. Romana, M., Tomás, R., Serón, JB (2015). Clasificación geomecánica de la escala de masas de pendientes (SMR): revisión de treinta años. Actas del Congreso ISRM 2015 - Simposio internacional sobre mecánica de rocas, Quebec, Canadá, 10 al 13 de mayo de 2015. ISBN 978-1-926872-25-4 , 10 pp. 
17. Tomás, R.; Valdes-Abellan, J.; Tenza-Abril, AJ; Cano, M. (1 de julio de 2012). "Nuevos conocimientos sobre la clasificación geomecánica de la masa de taludes mediante visualización en cuatro dimensiones". Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias Mineras . 53 : 64–69. Código Bibliográfico :2012IJRMM..53...64T. doi :10.1016/j.ijrmms.2012.04.002.
18. Adrián, Riquelme Guill; Roberto, Tomás Jover; Antonio, Abellán Fernández (4 de enero de 2014). "Herramienta SMR (MATLAB)". rua.ua.es. ​Consultado el 8 de abril de 2016 .
19. Riquelme, Adrián J.; Tomás, Roberto; Abellán, Antonio (2016-04-01). "Caracterización de taludes rocosos mediante la medición de la masa de taludes utilizando nubes de puntos 3D". Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias Mineras . 84 : 165–176. Bibcode :2016IJRMM..84..165R. doi :10.1016/j.ijrmms.2015.12.008. hdl : 10045/52313 .
20. Irigaray, C., Fernández, T. y Chacón, J. Evaluación preliminar de la susceptibilidad de pendientes rocosas mediante SIG y la clasificación SMR. Natural Hazards, 30, 309-324, doi: 10.1023/B:NHAZ.0000007178.44617.c6.
21. Tomás, R., Cano, M., Cañaveras, JC:, Cuenca, A., Delgado, J., Estévez, A., Pina, JA, Nuevas funciones continuas para el cálculo del Slope Mass Rating (SMR): aplicación mediante un sistema de información geográfica a los taludes rocosos de una cantera. Revista de la Sociedad Geológica de España, 19, 87-97, 2006
22. Yilmaz, I., Marschalko, M., Yildirim, M., Dereli, E. y Bednarik, M. 2012. Mapas de inestabilidad cinemática de pendientes y de índices de masa de pendientes (SMR) basados ​​en SIG: aplicación a una ruta ferroviaria en Sivas (Turquía). Boletín de ingeniería geológica y medio ambiente, 71, 351-357, doi: 10.1007/s10064-011-0384-5.