CLASIFICACION GEOMECANICA DE PRODYAKONOV
I.
Planteo de Preguntas:
Las clasificaciones geomecánicas se han convertido en una herramienta habitual para el reconocimiento de los macizos rocosos en los que van a construirse obras de ingeniería, tales como túneles, obras subterráneas en minería y en obras civiles, esta clasificación sirve fundamentalmente para valorar y seleccionar los sostenimientos más adecuados, para el plan de minado, para determinar el tipo de explosivo, la velocidad sónica de roca, su resistencia mecánica. Y en las cuales utilizan algoritmos aritméticos que permiten asignar a cada tipo de terreno un número que expresa su calidad geotécnica. Entonces ¿existen otros métodos para determinar el
soporte de un túnel diferente a los ya conocidos Terzaghi 1946, Wickham 1972, Bieniawsky 1973 ?
II.
Hipótesis:
La Clasificación Geomecánica de Protodyakonov (1962) Muy utilizada en los antiguos "países del este", la clasificación geomecánica de Protodyakonov permite calcular la carga que ejerce el terreno sobre el sostenimiento en función de dos factores únicamente, la anchura del túnel (B) y un parámetro "f", denominado coeficiente de resistencia .
Este coeficiente depende de la resistencia a compresión simple (RCS), el ángulo de rozamiento interno (φ) y la cohesión (c) del terreno, de forma que
para rocas, "f" vale una décima parte de la resistencia a compresión simple (en MPa), mientras que para suelos se toma f = tg φ + c/RCS
III.
Marco teórico:
TÚNELES CONSTRUIDOS CONVECIONALMENTE: CRITERIOS DE DISEÑO
A. Los principios básicos de los Criterios de Diseño de Túneles ( Perri, 2002 ):
Un túnel es una cavidad que debe ser estabilizada a corto y a largo plazo, desde su apertura hasta toda la vida útil establecida para la obra.
Los factores de seguridad de la cavidad y de la obra, serán diferentes según se trate del corto plazo (durante la construcción), o del largo plazo (durante el ejercicio). Además que de factores de seguridad podrá tratarse de márgenes de seguridad, o de probabilidad de falla de la cavidad. A corto plazo se aceptarán factores de seguridad relativamente bajos o probabilidades de falla relativamente elevadas (por ejemplo 5%), mientras que a largo plazo se impondrá una probabilidad de falla extremadamente baja y compatible con el carácter de obra de infraestructura vital que posea el túnel.
Las rocas y los macizos rocosos que las albergan, son elementos naturales intrínsecamente heterogéneos y anisótropos y sin embargo, en determinadas circunstancia, dependiendo del factor escala de la aplicación
específica,
pueden
ser
considerados
razonablemente
homogéneos e isótropos. En estos casos pero, su caracterización física y mecánica (geomecánica) es recomendable que sea expresada en términos estadísticos mediante la adopción de adecuadas distribuciones probabilísticas que permitan reflejar fehacientemente la naturaleza variable de cada una de las propiedades consideradas numéricamente dentro de los algoritmos empleados en los análisis y cálculos del diseño.
El comportamiento geo-estático de una excavación subterránea depende,
entre
otros
tantos
factores,
de
las
características
geomecánicas del medio natural en el que se opera, de las solicitaciones naturales preexistentes en el medio, del proceso y procedimiento constructivo adoptados incluyendo la naturaleza misma del eventual soporte instalado y de las circunstancias específicas de tal instalación. Lo anterior se puede reflejar suficientemente en la oportuna definición de “clase de comportamiento de la excavación”, que pasa, entre otros
factores y dependiendo de las circunstancias específicas de cada sección, a través de la caracterización geomecánica del medio
(geomecánica del macizo rocoso a excavar), de las condiciones geoestáticas del frente de excavación y de la definición del estado de solicitaciones naturales (profundidad del túnel y densidad del macizo en primera instancia).
Las formas de la excavación, del soporte y del revestimiento, deben ser seleccionadas en manera tal que resulten estáticamente eficientes, constructivamente factibles y económicamente optimas, para lo cual en principio estarán caracterizadas por una forma de herradura, o por un único arco de circulo menos que en la solera, la cual podrá ser seleccionada, compatiblemente con eventuales exigencias de gálibo, desde plana hasta curva con el mismo radio que el resto de la sección, a medida en que la calidad geomecánica de la excavación vaya pasando de optima a extremadamente precaria.
El soporte primario, o de primera fase, debe garantizar la seguridad de los trabajadores y la estabilización (posiblemente total) de la cavidad a corto plazo y se pone en obra en 2 condiciones ambientales que pueden llegar a ser incómodas, hostiles y hasta peligrosas, por lo cual los controles de su calidad son normalmente limitados y pueden llegar a ser deficientes, recomendándose en consecuencia no asignar a tal soporte una confiabilidad estructural formal de largo plazo, sino solamente una tarea de colaboración, limitada a algunas funciones y aspectos de algunos
de
sus
componentes
específicos.
El
soporte
primario
conservativo (como concreto proyectado, costillas metálicas y pernos de contención) deberá ser integrado con elementos de refuerzo mecánico o mejora del macizo rocoso (tales como por ejemplo, pernos metálicos, vidrioresinas, inyecciones, etc.) o de pre-soporte (tales como por ejemplo, arcos troncocónicos de micropilotes, o de jet grouting , o de concreto en precorte) toda las veces que tal integración resulte necesaria o beneficiosa a los fines de la seguridad y de un adecuado control de la estabilización de la cavidad a corto plazo y que al mismo tiempo redunde en el establecimiento de condiciones estáticas de mayor eficiencia para las funciones del revestimiento definitivo.
La deformación del núcleo de avance de la excavación representa un elemento fundamental de control de la estabilidad de la excavación
misma y por lo tanto, el controlar y limitar la deformación del núcleo (extrusión) incrementando adecuadamente su rigidez, juega un rol determinante sobre la estabilidad misma del túnel. Lo anterior deriva de la comprobada existencia de un ligamen estrecho entre el fenómeno de extrusión del núcleo al frente y los fenómenos de pre-convergencia y convergencia de la cavidad con dependencia cronológica entre los fenómenos de deformación de la cavidad y los que afectan previamente al núcleo del frente de excavación, así como de un ligamen igualmente estrecho entre la inestabilidad o el colapso del frente o núcleo de avance y la consecuente inestabilidad o colapso de la cavidad, aún si previamente estabilizada.
En el diseño y la excavación de un túnel debe privar el principio observacional, basado sobre el sistemático monitoreo, especialmente de la convergencia de la cavidad, durante todas las fases de ejecución de la obra y como herramienta fundamental de complemento imprescindible de los análisis y cálculos efectuados en las etapas del diseño previas al inicio de las obras. Sobre la base de los resultados de tal monitoreo se establecerá y cuantificará en definitiva la real total necesidad de soporte primario a instalar para estabilizar temporalmente la cavidad.
El revestimiento definitivo, debe garantizar el adecuado factor de seguridad o la confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que se estime le sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto. En tales cargas, en principio, no se incluirían las acciones sísmicas, a menos que se trate de secciones específicas correspondientes a circunstancias consideradas en estos criterios especialmente sensibles a las acciones sísmicas, tales como por ejemplo ocurre en secciones de túnel muy superficiales o en secciones de túnel excavadas en sectores geológicos especialmente desfavorables (brechas de falla, etc.). En las secciones de revestimiento en que no resulte requerida una cuantía relevante de acero de refuerzo para absorber
solicitaciones
estáticas,
se
deberá
colocar
acero
dimensionándolo para controlar el agrietamiento por retracción o alternativamente, se podrá eliminar tal acero y eventualmente sustituirlo con una adecuada cuantía de fibras, dependiendo todo de las
limitaciones que se impongan a la aceptabilidad de desarrollo de las referidas grietas. Cuando el revestimiento no resulte directamente de exigencias estructurales sus funciones serán, entre otras, facilitar la ventilación natural, garantizar la regularidad geométrica de la sección, evitar la degradación de la roca expuesta; mejorar la impermeabilización; en estos casos su espesor será el mínimo compatible con exigencias tecnológicas (ej. 30 cm).
B. Caracterización Geomecánica La identificación y caracterización de los terrenos que estarán afectados por las excavaciones, es el punto de partida del complejo proceso por el cual transita el proyecto de un túnel y tal identificación está directamente ligada a los resultados de lo que se denomina tradicionalmente estudio geológico, o levantamiento geológico, o sencillamente geología del área de emplazamiento de la obra subterránea. Tal referida identificación y eventual agrupación de los terrenos, es importante que sea realizada también con criterio ingenieríl y no solamente geológico, en el sentido de considerar en todo momento las condiciones y las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y del conjunto. Ya que el túnel será finalmente excavado y construido dentro del macizo rocoso a su escala natural, será este medio el objetivo final de la caracterización geomecánica, aunque la misma pasará en secuencia, por la caracterización del o de los materiales (rocas intactas) que conforman al macizo y luego por la caracterización de las estructuras (discontinuidades) que interrelacionan entre si los mismos materiales componentes del macizo. El macizo rocoso, en función de la densidad de fracturas y de la orientación
de
las
mismas
(grado
de
anisotropía),
puede
ser
esquematizado con un modelo continuo, discontinuo, o continuo equivalente.
a) La Clasificación Geomecánica de Protodyakonov (1962)
El planteamiento teórico del método es similar al utilizado por Terzaghi, aunque Protodyakonov simplifica mucho las expresiones al considerar que las cargas de compresión creadas por el terreno se distribuyen de forma parabólica (como antifunicular de las cargas, evidentemente).
A grandes rasgos, lo que hace es:
Considerar un arco parabólico triarticulado trabajando a compresión.
Plantear el equilibrio de fuerzas, compensando las cargas verticales y horizontales mediante el factor "f" (como una especie de coeficiente de rozamiento).
Buscar la mayor altura estable "h" que puede desarrollar el terreno, obteniendo: h=B/2f
Una vez conocida esa altura "auto-estable" (por llamarla de algún modo), tenemos delimitadas dos zonas con distinto comportamiento. Así, por encima de la parábola el terreno queda sustentado por un "efecto arco" (también llamado "arqueo" o "efecto silo"), mientras que por
debajo de la parábola carga directamente sobre el sostenimiento.
Como se conoce la ecuación de esa parábola, se puede medir esta cantidad de terreno, obteniendo una carga total sobre el revestimiento de: Q = (1/3) · γ · B²/f
O, en términos de tensión sobre la sección: σ = (1/3) · γ · B/f
(Siendo γ la densidad del material) Es decir, valores muy similares a los que se obtienen aplicando el método de Terzaghi. De forma aproximada, Protodyakonov dio los siguientes valores para el coeficiente de resistencia "f":
Cuadro 01
El coeficiente “f” esta definido por la siguiente formula matemática:
Siendo:
= La resistencia a Compresión Simple de la roca expresada en MPa.
Teniendo en cuenta este coeficiente y las dimensiones de la excavación subterránea, se definen las cargas de cálculo para dimensionar el tipo de sostenimiento.
b) Resistencia compresiva de la roca: La resistencia compresiva “dc” de una roca se puede determinar por tres
procedimientos: PRIMER PROCEDIMIENTO: Estimación de la Resistencia Compresiva mediante el martillo Schmidt de Dureza. SEGUNDO PROCEDIMIENTO Determinación de la Resistencia Compresiva mediante el Ensayo de Carga Puntual “Franklin”.
TERCER PROCEDIMIENTO Determinación de la Resistencia Compresiva mediante el Ensayo de Compresión Simple y/o Uniaxial
La experiencia en los países soviéticos muestra que este método funciona más o menos bien para profundidades comprendidas entre B/(2·tg φ) y B/tg φ
IV.
Discusión:
Este criterio de caracterización del macizo rocoso no es muy conocido en este lado del continente, debido a que en la época de su formulación la guerra fría estaba en su parte mas critica. Este método de caracterización se hizo popular en los países del este de Europa. Y debido a la similitud con el modelo de Terzaghi, y a la antigüedad, se hace obsoleta su aplicación ya que hoy en día se cuenta con métodos mas precisos y de acorde con los nuevos materiales de sostenimiento.
V.
Conclusiones: La experiencia en los países soviéticos muestra que este método funciona más o menos bien para profundidades comprendidas entre B/(2·tg φ) y B/tg φ.
Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La clasificación de la roca es poco objetivable.
Afirma que las tensiones sobre el revestimiento sólo dependen de esa altura autoestable y no de de la profundidad total, pero no es algo válido para todos los terrenos.
VI.
Bibliografía: G. PERRI A. "Caracterización geomecánica de macizos rocosos para el proyecto
de
túneles.
Distribución
deterministica
Vs.
Distribución
probabilística ". XIV Seminario Venezolano de Geotecnia, Noviembre 1996 y Boletín de la Sociedad Venezolana de Geotecnia, N. 73, Diciembre 1997.
