Ripabilidad de Rocas

La "ripabilidad" de una roca (anglicismo que adoptamos) representa una medida del grado de dificultad de la misma para ser excavada con equipos de convencionales; mediante la rotura del terreno con un tractor o bulldozer que permite su excavación o carga directa.

Ripper montado en un Tractor Caterpillar D8-L

Un material puede ser clasificado como ripable, ripable marginalmente o no ripable, dependiendo de la capacidad de los equipos convencionales para excavarle.

La ripabilidad de un material es a menudo evaluada por un ingeniero, geólogo o geofísico mediante la utilización de equipos de geofísica (sísmica de refracción), que si se complementan con sondeos, testificación y ensayos de laboratorio proporcionan excelentes resultados.

Según Bieniawski, la ripabilidad de una roca se evalúa por numerosos parámetros incluyendo la resistencia uniaxial, grado de desgaste, abrasión, y el espaciamiento de discontinuidades. Sin embargo, la refracción sísmica ha sido históricamente el método geofísico utilizado para predeterminar indirectamente el grado de ripabilidad.

Si bien hay numerosos factores que afectan la ripabilidad, como por ejemplo la resistencia fracturación, dirección del buzamiento de la roca, etc., en términos de producción, los factores dominantes son: la resistencia a la compresión simple de la roca, el grado de meteorización, la velocidad sísmica, la resistencia y rugosidad de las juntas, su separación, y sobre todo la masa del tractor. 

Ripado con Tractor Caterpillar D11R

El ripado es generalmente realizado por un tractor (bulldozer). El tamaño del mismo se determina por la estimación del ripado de la roca. La dureza y la competencia de cada capa individual determinará la facilidad de ripado. Cuando la roca que es demasiado "dura" para ser ripada hace falta emplear explosivos.

Igualmente, es recomendable elaborar un mapa geológico de superficie, y hacer pruebas con los medios de obra, sean: excavadoras, retroexcavadoras o tractores con ripper para comprobar los resultados de los estudios. 

En numerosos proyectos, los resultados económicos de una excavación en roca dependen de la ripabilidad con medios convencionales, o si es necesario emplear perforaciones y voladuras.

Las rocas pueden ser clasificadas en tres categorías: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

• Las rocas ígneas, formadas por el enfriamiento de las masas fundidas que se originan dentro de la tierra, son los más difíciles de ripar. Esto es en parte porque carecen de planos de debilidad como lo son la estratificación o exfoliación. 
• Las rocas metamórficas se definen generalmente como cualquier roca derivada de rocas preexistentes por química mineralógica, y/o cambios estructurales, en respuesta a cambios marcados en la temperatura, presión, tensión de cizallamiento, y el entorno químico. Las rocas metamórficas más comunes son: gneis, cuarcita, esquisto y pizarra. Estas rocas varían en el grado de ripabilidad, dependiendo de su grado de estratificación o foliación.
• Las rocas sedimentarias son rocas procedentes de la destrucción de rocas preexistentes. La acción del agua es responsable de la mayoría de las rocas sedimentarias, aunque algunas han sido formadas por el viento o el hielo glacial. Las rocas sedimentarias son generalmente las más ripables.

Pocos problemas o ninguno se presentan con arcillas, pizarras, o areniscas. Del mismo modo, cualquier roca altamente estratificada o laminada y rocas con fracturas extensas suelen ser fácilmente ripables.

Las características físicas que son favorables para el ripado son las siguientes:

• Planos frecuentes de debilidad tales como fracturas, fallas, y laminaciones,
• Rocas meteorizadas,
• Rocas con agua y/o humedad penetrando a la formación,
• Rocas altamente estratificadas,
• Rocas frágiles,
• Rocas con baja resistencia al corte,
• Rocas con bajas velocidades sísmicas.

Las condiciones que hacen difícil el ripado son las siguientes:

• Rocas masivas, 
• Rocas que no presenten planos de debilidad,
• Rocas cristalinas,
• Rocas con estructuras capaces de absorver energía,
• Rocas con alta resistencia al corte,
• Rocas con altas velocidades sísmicas.

Ripabilidad (D9) vs. Velocidad de Onda Sísmica
(Caterpillar, Handbook of Ripping 8th Edition)

La figura anterior muestra la ripabilidad de diferentes tipos de roca, para diferentes velocidades sísmicas utilizando un tractor D9 de Caterpillar. Como puede verse, cuando la velocidad sísmica es mayor de 2000 m/s, el tractor D9 es insuficiente, y hace falta un tractor más grande o voladuras. Se hace notar que el manual de Caterpillar indica que un tractor D11 puede extraer algunas rocas con velocidades de casi 3000 m/s.

Sísmica de Refracción

El método de la sísmica de refracción, se puede emplear para encontrar las velocidades de una roca. El método requiere una fuente de energía sísmica, por lo general un martillo, para profundidades reducidas y explosivos para grandes profundidades. Más detalles de la técnica se puede consultar el post Refracción Sísmica integrada con Microtremor (ReMi).

Forth (1981) coordina un interesante trabajo de investigación en el que se aplica la sísmica de refracción para determinar el grado de ripabilidad de rocas meteorizadas de Hong Kong. En ese trabajo muestra que los perfiles de sísmica de refracción son un método económico para obtener información de la profundidad de meteorización y la naturaleza de la roca. Esto es particularmente cierto para los trabajos de reconocimiento en sitios remotos e inaccesibles en los que la sísmica de refracción demostrado ser una fuente rápida y barata de información.

Sin embargo, se mostró que era esencial para correlacionar los perfiles sísmicos a las condiciones geológicas reales, especialmente en las rocas volcánicas donde  se observaron profundidades considerables de material meteorizado.

En todo caso, la utilización la velocidad sísmica como único parámetro para conocer la ripabilidad  de una roca, es un enfoque simplista ya que no incluye la información geológica específica que permitiría predecir el grado de ripabilidad con precisión. Principalmente porque la velocidad es un parámetro que está ligado a la densidad, la resistencia de la roca intacta, el grado de alteración y la fracturación de la misma.

Conclusiones

Este post revela que la velocidad sísmica puede empleada como un indicador de la ripabilidad de una masa de roca. Sin embargo, es necesario que la masa de roca sea evaluada en términos geológicos por lo que es recomendable integrar los puntos de vista geológicos y geofísicos para determinar cuantitativamente el grado de ripabilidad.

El uso de clasificaciones de ingeniería para las rocas, como por el ejemplo el RMR (Bieniawski) provee al técnico de información relevante sobre la masa de roca. No obstante, hace falta recalcar que esta aproximación no involucra un examen detallado de la masa de roca donde puede ser observada o es necesario una inversión considerable en sondeos. De la misma forma, es importante destacar que el uso de valores puntuales de ingeniería como: RQD y el PLT puede proporcionar valores poco realistas del grado de ripabilidad de una masa de roca y, por ende, estos parámetros deben ser utilizados con precaución.

Por otro lado, emplear la velocidad sísmica tiene ventajas considerables cuando la masa de roca no puede ser observada directamente. Algunos autores han sugerido que se incluya en los sistemas de clasificación de las rocas ya que puede proporcionar valores aproximados de la resistencia a la compresión simple. Adicionalmente, para litologías individuales, los valores medidos en el campo  se pueden utilizar para estimar el índice de fracturación basados en la determinación de la velocidad en el laboratorio, y de forma complementaria estimar el RQD.

En un ambiente geologico desconocido, una velocidad sísmica de 2000 m/s o inferior, puede ser interpretada para indicar que la roca está compuesta por un material intacto con una resistencia a la compresión simple baja, o se trata de una roca altamente fracturada. En ambos casos, la roca no debe presentar muchos problemas para ser ripada y excavada por medios normales. 

La velocidad sísmica esta relacionada directamente con las propiedades geomecánicas de una masa de roca en dos niveles: a una escala micro, con el valor de laboratorio de un espécimen intacto y en la escala macro con el valor determinado directamente en campo en la masa de roca fracturada. Por lo tanto se puede concluir que las tablas gráficas de ripabilidad, basadas en la velocidad sísmica, deben ser utilizadas con mucho cuidado y prestar la debida atención a la información geológica disponible y los datos de ingeniería del macizo rocoso.

Referencias

• Forth, R. A. et al. (1981), Methods of investigation of weathered rock in Hong Kong, Proceedings of the International Symposium of Weak Rock, Tokyo, 519-526
• Wightman, W. et al. (2003), Application of Geophysical Methods to Highway Related Problems, Federal Highway Administration, 318–322.
• MacGregor, F. et al. (1994), The estimation of rock rippability, Quarterly Journal of Engineering Geology & Hydrogeology 27 (2): 123–144.
• McCann D. and Fenning P. (1995), Estimation of rippability and excavation conditions from seismic velocity measurements, Geological Society, London, Engineering Geology Special Publications 10: 335–343.

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