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Mecánica de rocas ESTADO DE ESFUERZO EN LA MASA DE ROCA
M.I. REGINALDO JOSE HERNANDEZ ROMERO COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD TEL: 52 29 44 00
EXT 65534
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Conocimiento en el campo de los esfuerzos in situ Las ten tension siones es in situson úti útile les s y ne necesa cesarias rias par para a com compre prende nderr el est estado ado de esf esfue uerzo rzos s de lo los s mac macizo izos s roco rocosos.Esto sos.Esto per permit mite: e: -
Determin Dete rminar ar la forma de la la excavaci excavación. ón.
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Decidir Deci dir si se reviste reviste o no un túnel túnel de de presión. presión.
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Elegir Ele gir la direcci dirección ón de una una casa de máquin máquinas, as, etc.
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Esfuerzos naturales de los macizos rocosos Son aqu Son aquel ella las s en encon contr trad adas as an ante tes s de un una a ex exca cava vaci ción ón o en au ausen sencia cia de cu cual alqui quier er pe pertu rturb rbac ación ión cau causa sado do po porr la eje ejecu cució ción n de un una a ob obra ra de ingeni ing eniería. ería. Esto incl incluye: uye: - Esfuerzos Esfuerzos gravi gravitato tatorios. rios. - Esf Esfue uerzo rzos s tec tectón tónico icos. s. - Esfu Esfuerzos erzos ttérmico érmicos s y residu residuales ales
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Esfuerzo Gravitatorio
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Esfuerzos naturales de los macizos rocosos Son aqu Son aquel ella las s en encon contr trad adas as an ante tes s de un una a ex exca cava vaci ción ón o en au ausen sencia cia de cu cual alqui quier er pe pertu rturb rbac ación ión cau causa sado do po porr la eje ejecu cució ción n de un una a ob obra ra de ingeni ing eniería. ería. Esto incl incluye: uye: - Esfuerzos Esfuerzos gravi gravitato tatorios. rios. - Esf Esfue uerzo rzos s tec tectón tónico icos. s. - Esfu Esfuerzos erzos ttérmico érmicos s y residu residuales ales
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Esfuerzo Gravitatorio
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Esfuerzo Gravitatorio vertical La co comp mpon onen ente te de la te ten nsi sión ón de la fu fue erz rza a de gravedad, es la tensión vertical que resulta del peso de una columna de roca porr un po unid idad ad de ár área ea,, re repr pres esen enta tado do po por: r: v = p.g.z
σ
Donde: -p -g -z
:densidad. :ace :a cele lera raci ción ón de la gr grav aved edad ad.. :profundidad
Esfuerzo Gravitacional horizontal El es esfu fuer erzo zo ho hori rizo zont ntal al es ca calc lcul ulad ada a po por: r: h= ho ho..σv
σ
Donde: Ko s el coeficiente de reparto de tensiones. El cual está representado basándose en las propiedades de defo de form rmac ació ión n de la ro roca ca..
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Esfuerzos térmicos y residuales Cuando las rocas metamórficas, afloran en la superficie de un te rren o, est as rea ccio nan de u na man era d istin ta debido a que tanto el estado de esfuerzo como la temperatura son distintas a su formación inicial. Esto da como resultado una relajación parcial de esfuerzos y otras confinadas (esfuerzos residuales). El mecanismo que produce los esfuerzos térmicos es la expansión o contracción que sufre una roca homogénea cuando se calienta o enfría lentamente. Esta relacionado con la deformacióny el cambio de temperatura.
Uno de los efectos de este mecanismo sobre los macizos rocosos es la aparición de fracturas y de zonas con estados de esfuerzos anisótropos en diques, lavas o materiales inyectados.
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Esfuerzos tectónicos Está relacionado al movimiento de las placas tectónicas provenientes del manto de la tierra. Las rocas pueden ser duras o blandas y las fallas de los macizos se pueden presentar por zonas de debilidad o de discontinuidad estructural. Las rocas blandas fallan a través del cuerpo de la masa rocosa y también a través de sus defectos estructurales. La estimación de orientación y magnitud depende de los reg istros d e movim ien tos te ctón icos y a ctiv idade s sísmicas.
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Rocas ígneas. Son muy resistentes, isotrópicas, rígidas, frágiles, densas y de textura entrabada. Su inconveniente se da por presencia de materiales alterables y diaclasamiento. -
(Plutónicas) - Tienen minerales resistentes, entrabados, se da fallamiento en escalonado de minerales porque son diferentes.
- (Volcánicas). Muestran heterogeneidad de minerales; hay falla en poros que afectan la roca, la porosidad le da plasticidad a la masa que si es de rocas masivas resulta poco porosa. -
Rocas sedimentarias. Tienen resistencia media a baja son ortotrópicas, poco rígidas, dúctiles, porosas y presentan textura cementada-laminada. Su inconveniente es la ortotropía que hace difíciles los cálculos de estabilidad y comportamiento del macizo.
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Factores geológicos influyentes en el estado de esfuerzos
Factores geológicos influyentes en el estado esfuerzos Presencia de fallas, Pliegues, Diques; Otras anisotropías estructurales
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Factores geológicos influyentes en el estado de esfuerzos Procesos diversos de carga o descarga de materiales Erosión, Sedimentación; Procesos glaciares, etc.
Factores geológicos influyentes en el estado de esfuerzos - Valles profundos - Zonas de relieve accidentado. - Procesos volcánicos
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Gato Plano •
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Se emplean para la medición de esfuerzos en las zonas cercanas a la superficie de un macizo rocoso., en la pared de una excavación o en un pilar de roca. La prueba consiste en descomprimir localmente la roca en la pared de una galería, efectuando para ello, una ranura que induzca la liberación local de esfuerzos; midiéndose la deformación resultante durante el período en que se desarrolla ésta, mediante un extensómetro de puntas colocado entre diversas combinaciones de puntas (pijas) localizados en la dirección normal a ambos lados de la ranura, (las pijas se colocan antes de hacer la ranura y se toma la lectura base en esta etapa de la prueba. A continuación se ahoga en mortero el gato plano en el interior de la ranura, posteriormente se aplica la presión necesaria hasta que las deformaciones que había sufrido la masa rocosa por la liberación esfuerzos, se r ecuperan totalmente. En este momento, se considera que la presión aplicada (presión de cancelación) por el plano sobre la masa r ocosa, es igual al esfuerzo normal que actúa sobre el plano de la ranura, antes de realizar ésta.
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• El gato plano está formado por dos placas de acero de 40 x 40 cm soldadas en su perímetro. • Se le inyecta aceite a presión con una bomba manual conectada al gato con una manguera flexible. • Usualmente se colocan estos gatos, en dos ejes ortogonales para definir los esfuerzos normales al eje del instrumento.
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v Celda de presión
Figura 10. Esquema de los componentes de una celda de presión.
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• Se determinan con precisión de +- 0.003 mm las distancias entre tres parejas de puntos de referencia localizados a ambos lados del punto donde se efectuara una ranura. • Hacer una ranura de 3 cm de espesor y 60 cm de profundidad para relajar los esfuerzos del sitio. • Medir las distancias entre las tres parejas de puntos. • Se introduce un cementa el gato plano. • Ya endurecido el cemento, se aplica presión hidráulica hasta que la distancia entre los pares de puntos sea la inicial. • Se considera que esta presión medida es igual al esfuerzo normal del sitio
•
Si la galería esta en un campo de esfuerzos en donde uno de los esfuerzos es significativamente mayor que los otros, en ciertas zonas de la cavidad puede encontrarse con bajos esfuerzos de compresión o incluso de tensión. Por esta razón, es conveniente que este tipo de pruebas, se realicen en secc iones de la galería con diferente dirección.
•
La intersección de otras excavaciones con la galería en la proximidad del sitio de prueba, causara una forma compleja de concentración de esfuerzos por superposición de efectos. Las pruebas de gato plano deben localizarse por menos a una distancia de tres diámetros (equivale a la dimensión transversal mayor de las excavaciones) del sitio de intersección con otras cavidades.
•
Si la galería fue excavada por métodos convencionales, es necesario que la superficie donde se pretende realizar la prueba, sea amacizada perfectamente y recortada con equipo manual, para remover todo el material suelto resultante de las voladuras o de la propia relajación de esfuerzos de la misma cavidad, hasta dejar la masa rocosa en perfectas condiciones de firmeza.
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Métodos de liberación de tensiones • •
Liberación de tensiones + elasticidad lineal Perforación de un agujero cilíndrico hasta el punto de estudio
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A partir de este punto, perforar otro agujero cilíndrico concéntrico al interior, pero de diámetro inferior
• •
In st ru me nt ar Ejecución del overcoring: corte en forma de corona circular alrededor del segundo hueco cilíndrico
• • • •
El material que queda en su interior se descarga y se deforma Se mide la deformación mediante la instrumentación instalada La disposición de la instrumentación caracteriza cada método. Cé lu las:
• •
– biaxiales (3 componentes del tensor de tensiones) – tria xiales (6 componentes del tensor de tensiones)
Doorstopper de Leeman (1971) •
Ventajas frente a otros alternativos a gran profundidad:
•
rapidez de ejecución y menor tamaño requerido para el taladro de sobreperforación (diámetro y longitud) Adecuado cuando la roca está fracturada, sometida a grandes tensiones ya que se necesita recuperar un testigo más corto Inconveniente (al igual que los demás métodos que trabajan con galgas extensométricas): no se pueden emplear sumergido o en ambientes muy húmedos Perforación de un agujero cilíndrico de unos 60 a 76 mm, hasta la posición en que se quiere hacer el estudio Se coloca la célula en el fondo del agujero, pegada a la pared Ejecución del overcoring
• • • • • • • • •
Las deformaciones son recogidas por las galgas del instrumento, y medidas al mismo tiempo Se extrae el instrumento junto con la porción de roca que quedaba dentro de la corona cilíndrica, para determinar en el laborato rio las constantes elásticas Son necesarios al menos 2 (generalmente se hacen 3) ensayos en 2 (3) agujeros no paralelos para determinar las 6 componentes del tensor de tensiones El fondo del agujero debe ser plano y estar limpio y seco; se requiere buena cementación
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Se miden las deformaciones en la roseta y se calculan las deformaciones , tensiones y direcciones principales:
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Las tensiones pueden estar distorsionadas por la apertura del taladro
USBM (United States Bureau of Mines) deformation gage •
Célula biaxial que proporciona tensiones sobre un plano
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Cada medición proporciona 3 componentes del tensor de tensiones (según el plano perpendicular al eje del taladro ::::como mínimo dos mediciones en direcciones perpendiculares (suelen hacerse tres) 6 "botones" repartidos en el perímetro que ponen en contacto las paredes del agujero y las galgas situadas en el interior del aparato, que miden los movimientos
• •
Se determina el estado tensional de la roca midiendo la variación de tres diámetros de un taladro durante la sobreperforación
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En ensayos profundos, llevados a cabo desde excavaciones subterráneas, las medidas deben realizarse fuera de la zona de influencia de la excavación (no superiores a 30 m, aunque se ha llegado a 70 m) Al contrario que los métodos que utilizan extensómetros fijados a la pared del taladro, no se requiere que el taladro esté seco y se puede realizar en sondeos llenos de agua (del nivel freático o de la propia excavación) Al ejecutar el overcoring, las tensiones se liberan y se producen movimientos, recogidos por los botones y transmitidos a las galgas (cada 10 a 20 mm de penetración)
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• •
Es aconsejable continuar perforando hasta que los registros revelen que no aparecen variaciones sensibles en la longitud de los extensómetros al incrementar la profundidad
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La parte del material cortado se extrae para determinar, en el laboratorio, las constantes elásticas
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El instrumento es reutilizable
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Hay que conocer (o suponer) el valor de Sigma y Las dos perforaciones tienen que ser concéntricas: habitualmente no se puede perforar de forma satisfactoria más de 5 m Dependencia lineal de las constantes elásticas Necesidad de usar cabezales de perforación de gran diámetro (hasta 15 cm) Problemas de fractura de la roca si el diámetro exterior es menor de, como mínimo, dos veces el diámetro interior
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Se mid e el cambio de diámetro (Dd) al descargar:
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Se plantea un sistema de tres ecuaciones que permite calcular las tensiones:
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Es necesario recuperar el testigo para medir E y v (hay que hace rlo con roca intacta)
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Gato Plano •
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Se emplean para la medición de esfuerzos en las zonas cercanas a la superficie de un macizo rocoso., en la pared de una excavación o en un pilar de roca. La prueba consiste en descomprimir localmente la roca en la pared de una galería, efectuando para ello, una ranura que induzca la liberación local de esfuerzos; midiéndose la deformación resultante durante el período en que se desarrolla ésta, mediante un extensómetro de puntas colocado entre diversas combinaciones de puntas (pijas) localizados en la dirección normal a ambos lados de la ranura, (las pijas se colocan antes de hacer la ranura y se toma la lectura base en esta etapa de la prueba. A continuación se ahoga en mortero el gato plano en el interior de la ranura, posteriormente se aplica la presión necesaria hasta que las deformaciones que había sufrido la masa rocosa por la liberación esfuerzos, se r ecuperan totalmente. En este momento, se considera que la presión aplicada (presión de cancelación) por el plano sobre la masa r ocosa, es igual al esfuerzo normal que actúa sobre el plano de la ranura, antes de realizar ésta.
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• El gato plano está formado por dos placas de acero de 40 x 40 cm soldadas en su perímetro. • Se le inyecta aceite a presión con una bomba manual conectada al gato con una manguera flexible. • Usualmente se colocan estos gatos, en dos ejes ortogonales para definir los esfuerzos normales al eje del instrumento.
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v Celda de presión
Figura 10. Esquema de los componentes de una celda de presión.
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• Se determinan con precisión de +- 0.003 mm las distancias entre tres parejas de puntos de referencia localizados a ambos lados del punto donde se efectuara una ranura. • Hacer una ranura de 3 cm de espesor y 60 cm de profundidad para relajar los esfuerzos del sitio. • Medir las distancias entre las tres parejas de puntos. • Se introduce un cementa el gato plano. • Ya endurecido el cemento, se aplica presión hidráulica hasta que la distancia entre los pares de puntos sea la inicial. • Se considera que esta presión medida es igual al esfuerzo normal del sitio
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Si la galería esta en un campo de esfuerzos en donde uno de los esfuerzos es significativamente mayor que los otros, en ciertas zonas de la cavidad puede encontrarse con bajos esfuerzos de compresión o incluso de tensión. Por esta razón, es conveniente que este tipo de pruebas, se realicen en secc iones de la galería con diferente dirección.
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La intersección de otras excavaciones con la galería en la proximidad del sitio de prueba, causara una forma compleja de concentración de esfuerzos por superposición de efectos. Las pruebas de gato plano deben localizarse por menos a una distancia de tres diámetros (equivale a la dimensión transversal mayor de las excavaciones) del sitio de intersección con otras cavidades.
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Si la galería fue excavada por métodos convencionales, es necesario que la superficie donde se pretende realizar la prueba, sea amacizada perfectamente y recortada con equipo manual, para remover todo el material suelto resultante de las voladuras o de la propia relajación de esfuerzos de la misma cavidad, hasta dejar la masa rocosa en perfectas condiciones de firmeza.
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