Altos Esfuerzos - Túneles 4d1r4o

TUNELERÍA

ALTOS ESFUERZOS

Elaborado por : Arrieta Quiroz, Malena Zulma De la Torre Nieto, Reyner

CONTENIDO 1. Definición de Esfuerzos (Altos Esfuerzos)

2. Materiales Susceptibles a los altos esfuerzos

3. Modelos matemáticos de calculo

4. Aplicación

ESFUERZOS

Técnicas para determinas los esfuerzos Método del gato plano.

Insitu

• Son aquellos que se encuentran presentes en el macizo rocoso antes de realizarse una excavación

Método del triángulo equilátero Over Coring Hidrofracturamiento

Inducidos

• Se producen cuando se realiza una excavación • Origina una redistribución de esfuerzos alrededor de la excavación • El área perturbada varía en función de las características mecánicas del macizo rocoso.

Método de las soluciones cerradas

Métodos numéricos

Métodos físicos de escala reducida

INTENSIDAD ESFUERZOS En el grafico podemos visualizar la clasificación que se tiene respecto a la intensidad de los esfuerzos In-Situ.

Low Stress

𝜎1 • 𝜎𝑐

< 0.15

Intermediate Stress

𝜎1 • 𝜎𝑐

< 0.4

High Stress

𝜎1 • 𝜎𝑐

> 0.4

Fallamiento en Macizos Rocosos Bajo Stress • El proceso de falla está fundamentalmente controlado por la continuidad y distribución de fracturas naturales.

Alto Stress • La falla se domina por nuevas fracturas inducidas por los esfuerzos, que crecen paralelas a la excavación (fractura frágil).

En macizos fuertemente fracturados, la deformación es más dúctil (falla plástica).

Comportamiento Post Rotura Como enfoque general, y aunque no existan reglas definitivas actualmente que permitan conocer las características post-rotura de los macizos rocos, Hoek y Brow (1997) propusieron, a partir de su experiencia en el análisis numérico de una gran variedad de casos reales, 3 tipos básicos de comportamientos post – rotura.

Comportamiento: Elasto - Fragil

Comportamiento: Reblandecimiento

GSI=>75

GSI=50

Comportamiento Post Rotura

Comportamient o: Plástico Perfecto

GSI = < 25

Comportamiento en las rocas Esfuerzos en roca masiva o levemente fracturada

Pueden ocurrir descostramientos astillamientos, lajamientos, reventazones y hasta estallido de rocas. Estos tipos de falla son típicos particularmente en rocas duras, pero frágiles.

Esfuerzos en roca fracturada

En condiciones de altos esfuerzos, la falla de la roca ocurre de manera similar a lo indicado para rocas levemente fracturadas. Esto se genera como resultado de deslizamientos sobre las superficies de discontinuidades y por trituración de los bloques rocosos.

Comportamiento en las rocas Esfuerzos en roca intensamente Esfuerzos en roca fracturada y débil intensamente fracturada y débil.

En condiciones de altos esfuerzos, ocurren fallas de tipo dúctil o plástica. En rocas débiles, los esfuerzos producen altas deformaciones en los contornos de la excavación, con levantamiento del piso.

Esfuerzos en roca estratificada

En rocas estratificadas, plegadas o lanadas, pueden ocurrir procesos de rotura frágil. En condiciones de altos esfuerzos, también puede ocurrir el levantamiento del piso de la excavación. .

Esfuerzos en roca estratificada.

Comportamiento en las rocas Esfuerzos en presencia de fallas y zonas de corte.

Esfuerzos en roca expansiva.

Los esfuerzos hacen que la roca sea más propensa a soltarse o aflojarse.

Este tipo de rocas, en presencia de agua, presentan características de hinchamiento por la actividad de expansión química. .

Modelamiento de los Esfuerzos Teoría elástica nos da la siguiente relación:

Teoría Elástica

Modelos teóricos tipo modelo elasto-termal

Modelamiento numérico

SHEOREY (1994) La que se ajusta razonablemente a los datos medidos. Eh (en GPa) es el módulo promedio de deformación en la corteza superior medido en dirección horizontal. 1. Métodos continuos 2. Métodos discretos 3. Métodos híbridos continuo-discreto. Modelo Continuo

Modelo Discontinuo

• Lo más común es escalar las propiedades del Macizo con modelos como el de HoekBrown • Usar leyes constitutivas elásticas, elastoplásticas

• Se incluye en el modelo las discontinuidades que son más críticas para la respuesta del macizo. • Se le asigna propiedades de resistencia y rigidez in situ

CRITERIOS DE FALLA Griffith

Interés académico, base teórica de nuevos modelos.

Mohr-Coulomb – roca intacta / macizo rocoso

Aplicados normalmente en minería y obras civiles en roca.

Mohr-Coulomb para discontinuidad Barton-Bandis (1976, 1982) Hoek-Brown Generalizado (1997, 2002) Hoek-Brown falla frágil (1999) Cai-Kaiser (2001)

Lyakhovsky et al. (1997) Hamiel et al. (2004) CWFS (Cohesion Weakening and Frictional Strengthening) (2002)

CDM (Mecánica de Daño Continuo) (2004)

Propuestos para profundizar su investigación y aplicaciones en minería subterránea. De interés pero aún falta mayor desarrollo teórico y/o experimental para su validación y aplicación.

Modelamiento de los Esfuerzos 

Criterio de Hoek-Brown generalizado 2012

Modelamiento de los Esfuerzos SOLUCION BIDIMENSIONAL DE LOS ESFUERZOS ALREDEDOR DE UNA EXCAVACIÓN CIRCULAR

A partir de las componentes de esfuerzo en dicho punto (esfuerzo radia, esfuerzo tangencial y esfuerzo de corte, podemos hallar los esfuerzos principales inducidos.

Utilizando un sistema de coordenadas polares, podemos hallar las componentes (radial, tangencial y de corte) de los esfuerzos inducidos en un punto localizado a un radio “r” y un ángulo polar medido en sentido horario desde el techo de la excavación. Por lo tanto la solución bidimensional del esfuerzo inducido alrededor de una excavación circular es:

Esfuerzo inducido mayor (σ1) :

Modelamiento de los Esfuerzos SOLUCION BIDIMENSIONAL DE LOS ESFUERZOS ALREDEDOR DE UNA EXCAVACIÓN CIRCULAR A partir de las componentes de esfuerzo en dicho punto (esfuerzo radia, esfuerzo tangencial y esfuerzo de corte, podemos hallar los esfuerzos principales inducidos. Esfuerzo inducido mayor (σ1) :

Modelamiento de los Esfuerzos 

Criterio de Hoek-Brown de falla frágil (Martin et al., 1999)   



Para roca dura, macizos rocosos masivos a moderadamente fracturados. Falla dominada por fracturas inducidas por los esfuerzos. Asume que en zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la fricción no opone resistencia, solo la cohesión del macizo rocoso. Modelo predice de mejor manera zonas de daño y sobreexcavaciones.

Ruptura a escala del laboratorio • Región I: Cierre microfracturas preexistentes • Región II: Elástico

• Región III: Inicio microfracturamiento, estable. • Región IV: Microfracturamiento inestable, inicio de cizalle en grietas, se dispara densidad fracturas.

Deformación lateral %

Deformación axial%

scd≈70-85% sf Bajo carga permanente, la resistencia de la roca es scd.

Calculo de deformación de grieta volumétrica

El siguiente diagrama de deformación de esfuerzo , se obtiene apartir de una prueba de compresión uniaxial para granito

Implicancias en excavaciones subterráneas • En zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la fricción no opone resistencia, solo la cohesión. • Concentraciones de esfuerzos en exceso de scd va a causar daño localizado y pérdida progresiva de cohesión del orden de 50%. • Daño progresivo puede provocar colapso de la excavación.

Colapso de calle, mina El Teniente. La altura piso-techo es de menos de 1 m

Aplicación de los altos esfuerzos Estallido de Rocas • Rompimiento descontrolado de roca asociado a una violenta liberación de energía (eventos sísmicos). • Por desplazamiento en fallas o rompimiento por strain (strain burst). • Se producen al interior de macizo, pero generan un violento daño en las paredes del túnel cercano.

Comportamiento Elasto - Frágil Resistencia a la compresión : 100 – 400 Mpa Ensayo de compresión uniaxial Prensa Hidráulica

Módulos de elasticidad: 40 – 100 GPa Ensayo de constantes elásticas Prensa Hidráulica y Deformómetros

Comportamiento Post Rotura

U.M UCHUCCHACUA Estallidos de Roca Uchucchacua es una unidad minera perteneciente a la Compañía de Minas Buenaventura, se ubica en la provincia de Oyon, departamento de Lima. Es la primera productora de plata a nivel sudamericano y la cuarta a nivel mundial

Antecedentes

• Reacomodo del cerro o golpes de la montaña.

1999

2003 • Se presencio el 1er incidente de estallido de rocas.

• 1er estudio de sísmico del yacimiento

2005

Estallido de Rocas 1991 Mina Sub-6 El Teniente

Medidas de Prevención