1-2-2015
SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ANCLAJE ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCION
UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC
Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 4 I.
PERNOS DE ANCLAJE............................................................................................................. 6 1.1.
Definición: ..................................................................................................................... 6
1.2.
Partes de un Perno de Anclaje. ..................................................................................... 6
a)
Zona de anclaje ............................................................................................................. 6
b)
Zona libre ...................................................................................................................... 6
c)
Cabeza........................................................................................................................... 6
1.3.
Tipos de Pernos de Anclaje ........................................................................................... 7
a)
Anclajes pasivos ............................................................................................................ 7
b)
Anclajes activos............................................................................................................. 7
c)
Anclajes mixtos ............................................................................................................. 7
1.4.
Diferencia entre Bulones y Cables. ............................................................................... 9
1.5.
Formas de anclar los Pernos. ........................................................................................ 9
A)
Pernos de Cuña ....................................................................................................... 10
B)
Pernos de Expansión ............................................................................................... 10
C)
Pernos de Anclaje Repartido................................................................................... 10
D)
Pernos de Anclaje Mecánico ................................................................................... 10
1.6.
Usos de los Anclajes .................................................................................................... 11
2.
INTERPRETACIÓN ................................................................................................................ 12
3.
CRITERIOS DE SELECCIÓN DE PERNOS DE ANCLAJE............................................................ 12
4.
MACROVARIABLES DE ANÁLISIS ......................................................................................... 13 4.1.
Macrovariable Geomecánica ...................................................................................... 13
4.2.
Macrovariable Operativa ............................................................................................ 14
5.
CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS PERNOS DE ANCLAJE .................................................... 14
6.
VENTAJAS ............................................................................................................................ 17
7.
DESVENTAJAS...................................................................................................................... 18
8.
PRINCIPIO DE SOSTENIMIENTO DE LOS PERNOS ................................................................ 18 8.1.
EFECTO CUÑA ............................................................................................................. 18
8.2.
EFECTO VIGA ............................................................................................................... 19
8.3.
EFECTO COLUMNA...................................................................................................... 19
8.4.
EFECTO ARCO .............................................................................................................. 20
pág. 1
9.
CLASIFICACION DE PERNOS DE ANCLAJE – BARRAS HELICOIDALES Y SPLIT SET ................ 23 9.1.
FACTORES OPERATIVOS CLAVES DE SELECCIÓN ......................................................... 23
9.2.
FACTORES OPERATIVOS CLAVES ................................................................................. 24
9.2.1.
Tiempo de Exposición y Capacidad de Carga ...................................................... 24
9.2.2.
Tiempo de Exposición ......................................................................................... 24
9.2.3.
Capacidad de Carga. ........................................................................................... 25
9.2.4.
Capacidad de Carga - Ensayos. ........................................................................... 25
9.2.5.
Control de Calidad de los Elementos de Soporte ............................................... 27
9.2.6.
Análisis de los factores de Seguridad (FS)........................................................... 27
9.2.7.
Dimensionamiento de la labor minera ............................................................... 27
9.2.8.
Evaluación de Costo Beneficio ............................................................................ 28
10.
ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO ................................................................................... 30
10.1.
CATEGORÍA DE LOS ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO ........................................... 30
10.2.
SOSTENIMIENTO POR REFUERZO. .......................................................................... 31
A)
Los Anclajes por Adherencia, .................................................................................. 31
B)
Los Anclajes por Fricción......................................................................................... 31
11.
PERNOS DE ANCLAJE CON BARRAS HELICOIDALES......................................................... 31
11.1. 12.
ANCLAJES POR ADHERENCIA - ALTERNATIVAS DE ENCAPSULANTES ..................... 32
PERNOS DE ANCLAJE POR FRICCION – SPLIT SET............................................................ 35
12.1.
PARÁMETROS.......................................................................................................... 37
12.2.
FORMA DE TRABAJO ............................................................................................... 37
12.3.
TIPOS DE ANCLAJES ............................................................................................... 38
12.4.
VENTAJAS DE UTILIZARLOS ..................................................................................... 39
12.5.
INCONVENIENTES DE UTILIZACIÓN ........................................................................ 39
12.6.
INSTALACIÓN DE LOS SPLIT SET .............................................................................. 39
12.7.
TIPOS DE SPLIT SET ................................................................................................. 40
12.7.1.
Split Set Estándar. ............................................................................................... 40
12.7.2.
Split Set Cementado ........................................................................................... 41
12.8. 12.8.1.
ACCESORIOS ........................................................................................................... 42 Placas de Apoyo .................................................................................................. 42
12.9.
ADAPTADORES ........................................................................................................ 43
12.10.
PROBADOR HIDRÁULICO ....................................................................................... 43
pág. 2
13.
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 44
14.
BIBLIOGRÁFIA ................................................................................................................. 45
pág. 3
INTRODUCCIÓN Los anclajes constituyen en los actuales momentos un medio esencial para garantizar la estabilidad de estructuras muy diversas, lográndose utilizar los procedimientos y posibilidades que la tecnología actual del soporte mediante anclajes pone a nuestra disposición para aplicar la técnica moderna del sostenimiento.
Los anclajes pueden usarse en forma muy ventajosa en cualquier situación en que se necesite ayuda de la masa de suelo para soportar un determinado estado de tensiones o esfuerzos.
Casos comunes se producen en los muros de tierra en donde es necesario garantizar la estabilidad de la masa de suelo, y por ende el de la obra.
Como elemento que contrarresta las sub-presiones producidas por el agua, en el sostenimiento de techos y hastiales en obras subterráneas de vialidad, de centrales hidroeléctricas y mineras, e igualmente como soporte artificial en taludes constituidos por masa de suelos y / o rocas.
En el caso de muros anclados, es muy común observar este tipo de obra a lo largo y ancho de importantes tramos carreteros, en donde parte de la calzada ha colapsado al producirse una disminución en la resistencia al corte de la masa de suelo.
Estos problemas han sido resueltos satisfactoriamente a través de las pantallas o muros atirantados. En este sentido, cabe destacar que en las construcciones civiles se viene utilizando cada vez con mayor frecuencia y éxito los anclajes inyectados para sostener muros y absorber momentos volcadores. Este último como ocurre en las torres de alta tensión y en las presas para resistir las fuerzas volcadoras debidas al agua, así como en otras numerosas obras, en la cual la
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fuerza de tracción al terreno del anclaje transfiere las solicitaciones hasta una zona más profunda y estable, y por tanto de mayor capacidad portante. En estas condiciones, la resistencia tangencial de la masa de suelo o roca circundante al miembro estructural empotrado actúa para resistir dicha carga de tracción. En lo referente a obras subterráneas tales como galerías y túneles de vialidad el problema fundamental que se plantea es el de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posterior al período de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra. Lo mencionado anteriormente es de vital importancia, por cuanto la concentración de esfuerzos en la vecindad de la excavación puede ser la causante que la roca fracturada pueda desplazarse comprometiendo la estabilidad de la bóveda y de los hastiales del túnel. Cabe destacar también, que el sistema de muros anclados o sistemas de contención por medio de anclajes, bien sea activos o pasivos, es cada vez de mayor utilización. La razón fundamental se debe a que en los centros urbanos de gran desarrollo es frecuente la construcción de edificios con varios sótanos donde se requieren cortes de gran altura. Lo dicho anteriormente indica que la utilización de los anclajes ha sido considerada como una excelente alternativa técnica y económica en la construcción de muros de retención, conjuntamente con los procedimientos modernos que nos ofrece el concreto proyectado bien sea por vía seca o húmeda. Por supuesto, al realizarse este tipo de obra deben tenerse en cuenta otros aspectos que sin lugar a dudas son de vital importancia, tales como las construcciones vecinas y las redes de servicio. En este sentido, no se deben correr riesgos innecesarios que puedan causar pérdidas materiales y hasta humanas. Por otra parte, al diseñar un sistema de anclajes es fundamental no sólo llevar a cabo todas las comprobaciones de estabilidad, sino a la vez un análisis detallado del tipo de anclaje que mejor se adapte al terreno, conjuntamente con una adecuada disposición, la cual permita una mejor ejecución y funcionamiento del esfuerzo metálico
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I. 1.1.
PERNOS DE ANCLAJE
Definición:
Los anclajes son armaduras metálicas, alojadas en taladros perforados desde el talud y cementadas. Se emplean como medida estabilizadora de taludes en roca como en terreno suelto, así mismo son elementos que trabajan a tracción y que colaboran a la estabilidad del talud de dos formas: Proporcionan una fuerza contraria al movimiento de la masa deslizante. Producen un incremento de las tensiones normales en la existente o potencial superficie de rotura, lo que provoca un aumento de la resistencia al deslizamiento en dicha superficie.
1.2.
Partes de un Perno de Anclaje.
En un anclaje se distinguen tres partes fundamentales: a) Zona de anclaje.- Es la parte solidaria al terreno en profundidad encargada de transferir los esfuerzos al mismo. b) Zona libre.- Es la parte en que la armadura se encuentra independizada del terreno que la rodea, de forma que puede deformarse con total libertad al ponerse en tensión. c) Cabeza.- Es la zona de unión de la armadura a la placa de apoyo.
La longitud de los anclajes suele oscilar entre 10 y 100 m y el diámetro de perforación entre 75 y 125 mm. pág. 6
1.3.
Tipos de Pernos de Anclaje
Los anclajes se pueden clasificar según diversos conceptos. En función del tiempo de servicio se pueden distinguir los siguientes tipos: a) Anclajes pasivos: no se presenta la armadura después de su instalación. El anclaje entra en tracción al empezar a producirse el movimiento del terreno.
El uso de estos se da en el momento que entran en tracción al oponerse a la expansión o dilatancia que se produce en las discontinuidades de la roca cuando comienzan a producirse un deslizamiento a lo largo de las mismas.
El movimiento de masa produce un incremento de volumen (dilatancia) que está relacionado con la presencia de rugosidades en la misma. Es decir la efectividad de un anclaje pasivo está relacionada directamente con la magnitud de la dilatancia, la cual depende del tamaño y la dureza de las rugosidades. Por consiguiente en taludes en suelos o rocas blandas con juntas relativamente lisas los anclajes pasivos son menos efectivos. b) Anclajes activos: una vez instalado se pretensa la armadura hasta llegar a su carga admisible, comprimiendo el terreno comprendido en la zona de anclaje y la placa de apoyo de la cabeza.
La utilidad de estos anclajes se da desde el momento que ejercen una acción estabilizadora desde el mismo instante de su puesta en tensión incrementando la resistencia al corte de la masa de suelo o roca como consecuencia de las tensiones normales adicionales al esqueleto mineral. c) Anclajes mixtos: la armadura se pretensa con una carga inferior a la
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admisible, quedando una parte de su capacidad resistente en reserva para hacer frente a posibles movimientos aleatorios del terreno.
La carga admisible de una armadura es igual al producto de la sección de acero por su límite elástico, multiplicado por un coeficiente de seguridad (0,6 para anclajes permanentes y 0,75 para anclajes provisionales).
Los materiales empleados como armadura o miembro de tracción son los siguientes: Alambres de acero de alta resistencia. Cordones constituidos por alambres de alta resistencia. Barras de acero especial.
Los alambres normalmente utilizados tienen un diámetro entre 5 y 8 mm. El acero tiene una resistencia a tracción de 160 a 190 kg/mm 2 y un límite elástico convencional de 145 a 170 kg/mm2. La armadura de los anclajes se compone de una serie de alambres paralelos cuyo número suele oscilar entre 6 y 54.
Alambres con diámetros algo menores (entre 2 y 4mm) sirven para la fabricación de cordones de alambres trenzados. Los más frecuentes son los cordones de 7 y 19 alambres. Los cordones se emplean aisladamente o en grupos de hasta 39 cordones.
Las barras de acero especial tienen normalmente diámetros comprendidos entre 16 y 4 mm, con resistencia a tracción del orden de 60 a 85 kg/mm 2 y límite elástico convencional entre 50 y 70 kg/mm2.
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En todos los casos los aceros empleados han de ser dúctiles, con alargamientos de rotura superiores al 4 %, las barras de acero empleadas en los anclajes se denominan bulones o pernos de anclaje. El anclaje mediante cordones o grupos se denomina anclaje por cables.
1.4.
Diferencia entre Bulones y Cables.
Por consideraciones constructivas los bulones no suelen usarse para anclajes de más de 15 m de longitud por lo que su uso está limitado a anclajes superficiales. Se emplean generalmente en taludes en roca con objeto de minimizar los desprendimientos producidos a lo largo de fisuras superficiales. Estas roturas son frecuentes en taludes recientemente excavados y en climas fríos, debido al efecto de las heladas.
Los bulones suelen utilizarse como anclajes de baja capacidad, tanto activos como pasivos. Su capacidad o carga admisible, suele oscilar entre 5 y 50 ton por bulón.
Los anclajes por cable pueden tener una longitud mucho mayor, en ocasiones superficiales a los 100 m y una capacidad de carga también superior, generalmente entre 20 y 200 ton por anclaje.
A diferencia de los bulones, es poco frecuente su empleo como anclajes pasivos. Los anclajes por cable se emplean para estabilizar grandes masas deslizantes con superficies de rotura profundas.
1.5.
Formas de anclar los Pernos.
Existen dos formas de anclar el perno a la roca: mediante un anclaje puntual o con un anclaje repartido.
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Los pernos de anclaje puntual tienen un dispositivo para empotrar el sistema de anclaje en el fondo del barreno. Son muy deformables, ya que el acero que constituye las barras admite alargamientos repartidos de hasta el 10 %; por este motivo se recomienda su uso en terrenos muy deformables.
A continuación se describen los principales aspectos de los pernos. A) Pernos de Cuña.- los pernos de cuña se utilizan muy poco en la actualidad. En un extremo del perno hay una hendidura en la que se introduce una cuña, y en el otro extremo un roscado y una tuerca. Para colocar estos pernos, primeramente se golpea la barra hasta que la hendidura del perno se abre y se clava en la roca. A continuación, se coloca la placa base y se aprieta la tuerca, proporcionando así una cierta tensión inicial de anclaje. B) Pernos de Expansión.- Este tipo de pernos se anclan debido a la apertura que se produce en dos valvas metálicas ranuradas al apretar el perno, cuyo extremo roscado hace descender un topo en cuña. La eficacia de un perno de anclaje puntual depende de la presión de apriete al colocarlo; se suelen apretar con una llave de atornillamiento eléctrico, hidráulico o neumático. C) Pernos de Anclaje Repartido.- El anclaje de este tipo de pernos a la roca, se efectúa en toda la longitud del barreno, bien con cemento o resina. En estos últimos la resina y el endurecedor se colocan en unas cápsulas en el fondo del barreno; al introducir la varilla metálica y girarla, se perforan estas capsulas y se mezclan bien sus constituyentes. Las varillas pueden ser de diversos tipos: lisas, con filete helicoidal a lo largo de toda la varilla o lisa con filete de tornillo en el extremo que penetra en el barreno y con cabeza fija o tuerca en el otro extremo. D) Pernos de Anclaje Mecánico.- Perno “Split-Set”. Este perno está constituido por un tubo flexible, construido con chapa de 2,3 mm de espesor, con una
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ranura longitudinal. El perno, que es de mayor diámetro que el barreno, al introducirse en el sondeo se adapta a éste totalmente, disminuyendo su diámetro, debido al cierre de la ranura longitudinal.
1.6.
Usos de los Anclajes Casos más comunes son los muros de tierra en donde es necesario garantizar la estabilidad de la masa de suelo, y por ende en la obra. En este sentido, cabe destacar que en las construcciones civiles o mineras se viene utilizando cada vez con mayor frecuencia y éxito los anclajes inyectados para sostener muros y absorber momentos volcadores.
Como elemento que contrarresta las sub-presiones producidas por el agua, en el sostenimiento de techos u hastiales de obras en obras subterráneas de vialidad, de centrales hidroeléctricas y mineras, e igualmente en taludes construidos con masas de suelo y rocas. Las obras subterráneas tales como galerías y túneles de vialidad el problema fundamental que se plantea es de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posterior al periodo de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra.
Uno de los grandes problemas que afronta la industria de la construcción, en las grandes excavaciones necesarias para edificios altos, es la implementación tradicional de grandes muros de contención, cuyo costo puede volverse prohibitivo, y cuyas dimensiones pueden afectar a la arquitectura de los proyectos.
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2. INTERPRETACIÓN En toda actividad sea está de construcción civil o minera, el sostenimiento de las labores es un trabajo adicional de alto costo que muchas de las veces reduce la velocidad de avance y / o producción pero que a la vez es un proceso esencial para proteger de accidentes tanto al personal como a los equipos que intervienen en estas construcciones.
Desde este punto de vista conocemos varios métodos de refuerzo de la roca, pero de todos el de pernos de anclaje es el más efectivo, rápido de instalar y de bajo costo. En este sistema se conocen diversos tipos de pernos que han sido desarrollados a lo largo de muchos años tanto por las investigaciones de ciertos grupos como por las industrias fabricantes para su aplicación en la estabilización de excavaciones subterráneas y superficiales.
Es por esto que en la actualidad se está implementando el uso de los pernos de anclaje como una de las medidas de mitigación para estabilizar las rocas y suelos que con el empleo de otras obras complementarias dan mayor seguridad a la inestabilidad que existe en algunos terrenos, puesto que estos resisten en muchos casos mayor peso y sobrecarga que por ejemplo un muro de contención.
3. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE PERNOS DE ANCLAJE La importancia de la evaluación de las condiciones geomecánicas y operativas, en el proceso de selección de los sistemas de sostenimiento, toman un papel determinante en el proceso de brindar un adecuado control de la inestabilidad subterránea. Por ello, es importante que los profesionales encargados de recomendar las técnicas de sostenimiento, así como los encargados de la aplicación del sostenimiento, estén íntimamente compenetrados con las relaciones que, de
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manera directa, existen entre la evaluación geomecánica y la operatividad de las zonas inestable. El no realizar la interacción con estas macrovariables, podría originar situaciones nocivas para la seguridad de la operación minera, reflejadas en: a) Una inadecuada selección del tipo de sostenimiento. b) La generación de condiciones sub-estándares en la labor a estabilizar, exponiendo a los trabajadores a un mayor riesgo. c) Sobredimensionamiento o subdimensionamiento de los elementos de sostenimiento. Adicionalmente generar un incremento de costos en los programas de sostenimiento por la aplicación de alternativas de sostenimiento más costosas. Conforme a ello, la importancia de interactuar con dichas macrovariables radica principalmente en dos objetivos: el de seguridad y el de productividad en las operaciones subterráneas.
4.
4.1.
MACROVARIABLES DE ANÁLISIS
Macrovariable Geomecánica
La importancia del estudio de la macrovariable geomecánica, deberá considerar los siguientes parámetros geomecánicos básicos de estudio:
1) Calidad geomecánica de la zona inestable. 2) Análisis de la estabilidad estructuralmente controlada (evaluación de formación de bloques y/o cuñas con relación a la orientación de los sistemas de discontinuidades y la dirección del eje de la excavación) 3)Niveles de esfuerzos presentes en la zona de trabajo. 4) Parámetros mecánicos de la masa rocosa (módulos elásticos) 5) Análisis de los factores de seguridad conforme a los niveles de inestabilidad de la zona.
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4.2.
Macrovariable Operativa
Dentro de los parámetros operativos de estudio, que deberán ser considerados para la selección de la alternativa de sostenimiento, se tienen: 1) Tiempo de exposición de la labor minera: este parámetro está ligado íntimamente al planeamiento de minado. 2) Dimensionamiento de la labor minera: parámetro base para la elección de los sistemas de sostenimiento. 3) Accesibilidad a la zona inestable: evaluando los ingresos para la disposición de los equipos y elementos de sostenimiento. 4) Disponibilidad de servicios: para la aplicación de la alternativa de sostenimiento. 5) Costos de las alternativas de sostenimiento a ser aplicadas: análisis costo – beneficio. Cabe señalar que estos parámetros operativos básicos expuestos, no tienen un carácter absoluto, pudiendo
adicionar más factores
conforme
a
las
características del yacimiento minero. De la misma forma, este punto es aplicable para los factores geomecánicos analizados inicialmente.
5. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS PERNOS DE ANCLAJE La importancia de la interacción entre las macrovariables geomecánicas y las operativas para la selección adecuada de la alternativa de sostenimiento, es el pilar
clave
para
una
adecuada
recomendación
de
sostenimiento,
salvaguardando los intereses de seguridad, productividad y de costos para la compañía minera. Por lo general, cuando se evalúa la factibilidad del uso de una alternativa de sostenimiento correspondiente a la categoría por refuerzo (pernos de anclaje), muchas veces es analizada únicamente la macrovariable geomecánica, enfocándose solamente en la evaluación de las características geomecánicas del macizo rocoso (condiciones de calidad de roca y evaluación de la estabilidad pág. 14
estructuralmente controlada, principalmente), mas no de las características operativas de la zona inestable. La diferenciación de la categoría de los anclajes (adherencia o fricción) se efectuará evaluando los siguientes factores operativos: • Evaluación del tiempo de exposición de las labores a sostener. • Capacidades de carga de cada una de las alternativas de anclajes. • Análisis de factores de seguridad. • Dimensionamiento de la labor minera. • Análisis de los servicios para la aplicación de la alternativa seleccionada. • Evaluación de costo – beneficio de la alternativa seleccionada.
De estos parámetros operativos, la evaluación del tiempo de exposición, asociada al grado de seguridad requerida de la labor minera y a la capacidad de carga que ofrece el anclaje, establecen la base para la selección de la categoría de anclaje a utilizar. Es importante indicar, que la evaluación del primer parámetro, determinará el filtro para la elección de la categoría de anclaje a ser aplicado, ya que asociará el tiempo de exposición de la labor minera con las características mecánicas de la categoría del anclaje. Cabe mencionar, que los pernos de anclaje están agrupados en dos categorías de refuerzo: anclajes por adherencia y anclajes por fricción. Dentro de los cuales pág. 15
se encuentran agrupados los diversos tipos de anclajes conocidos en el mercado. Asimismo en esta parte del análisis, es importante tener claro si la categoría del anclaje seleccionado corresponde a un soporte permanente o si corresponde a un soporte temporal. Esta premisa es importante al momento de seleccionar el tipo de sostenimiento, ya que las categorías por adherencia están asociadas a soportes permanentes, mientas que la categoría por fricción esta asociada a soportes temporales.
Una vez seleccionada la categoría de anclaje a ser utilizada, es necesario asociar el parámetro de la capacidad de carga que ofrece el anclaje. La capacidad de carga del anclaje, es el resultado de la medición cuando este se encuentra dispuesto dentro de la masa rocosa. Por ello, se debe tener claro el concepto de anclaje, el cual resulta de la asociación del macizo rocoso, el perno de acero, y de ser el caso, el encapsulante aplicado (el encapsulante lo constituye la matriz de adherencia en los pernos de la categoría de este nombre). Por esta razón, no es lo mismo la capacidad de carga del anclaje inserto y la capacidad de carga del perno no inserto, cuya verdadera nomenclatura estará asociada a las propiedades mecánicas del elemento de sostenimiento.
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Una vez claro este concepto, será necesario comprobar las capacidades de carga reales del anclaje seleccionado, lo cual se obtiene mediante un programa de monitoreoque consiste en efectuar pruebas de arranque o también llamadas ensayos “pull tests”. Es importante en esta etapa, tener en cuenta que las capacidades de carga de los anclajes monitoreados, estarán en relación directa al dominio geomecánico en el cual fueron aplicados. El Análisis de los factores de Seguridad es otra variable de evaluación la cual estará asociada a los Tiempos de exposición de las labores mineras. Es decir los FS estarán en relación directa al tiempo de exposición de las labores a ejecutarse. El grado de seguridad demandado para la estabilidad de la labor minera, deberá analizarse y controlarse con la alternativa o las alternativas de sostenimiento a aplicarse, para no caer en un sobredimensionamiento de dichos sistemas de soporte. El Dimensionamiento de la Labor Minera; vinculado al análisis de las aberturas expuestas susceptibles a inestabilidad. En ésta etapa, el dimensionamiento – abiertos de las excavaciones, tomará un papel clave en la elección de las alternativas de soporte a proponer; ya que conjugará factores externos más complejos cuando más grande sea la excavación. El Análisis de la Evaluación Costo Beneficio de la alternativa seleccionada es importante, anexada al costo del anclaje, estableciendo el índice: USD/Tn. sostenida. Es decir a que costo sostenemos una tonelada de masa rocosa, estableciendo de esta forma una optimización del sostenimiento aplicado en la operación minera, esto contribuirá a un mejor control de los costos de sostenimiento mina.
6. VENTAJAS Relativamente de bajo costo Trabaja de manera inmediata Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo pág. 17
Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente En rocas duras el perno puede soportar cargas altas Es un sistema versátil para fortificación en rocas duras
7. DESVENTAJAS Su uso está limitado a rocas moderadamente duras a duras. Difícil de instalar. Debe ser monitoreado después de su instalación. Pierde capacidad debido a tronaduras cercanas o cuando la roca se fractura alrededor de la zona de expansión.
8. PRINCIPIO DE SOSTENIMIENTO DE LOS PERNOS 8.1.
EFECTO CUÑA
En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal de los pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas rocosas potencialmente inestables. Ésto es lo que se llama también el “EFECTO CUÑA”.
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8.2.
EFECTO VIGA
En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistema de fracturas dominantes subhorizontales, los pernos ayudan a minimizar la deflexión del techo (pandeamiento). Esto es lo que se llama también el “EFECTO VIGA”.
8.3.
EFECTO COLUMNA
El concepto del “efecto viga” puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades sub-verticales (fracturas sub paralelas a la labor), generando el denominado “EFECTO COLUMNA”, para minimizar el pandeo de los bloques tabulares.
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8.4.
EFECTO ARCO
En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial, los pernos en conjunto forman un arco rocoso que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el mismo que da estabilidad a la excavación.
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pág. 21
pág. 22
9. CLASIFICACION DE PERNOS DE ANCLAJE – BARRAS HELICOIDALES Y SPLIT SET
9.1.
FACTORES OPERATIVOS CLAVES DE SELECCIÓN
La diferenciación de la categoría de los anclajes se efectuará evaluando los siguientes factores operativos: Evaluación del tiempo de exposición de las labores a sostener. Capacidades de carga de cada una de las alternativas de anclajes. Control de Calidad de los elementos de sostenimiento: anclajes. Análisis de factores de seguridad. Dimensionamiento de la labor minera. Análisis de los servicios para la aplicación de la alternativa seleccionada. Evaluación de costo – beneficio de la alternativa seleccionada.
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9.2.
FACTORES OPERATIVOS CLAVES
9.2.1. Tiempo de Exposición y Capacidad de Carga La evaluación del tiempo de exposición de la labor subterránea y a la capacidad de carga que ofrece el anclaje, marcan la base para la selección de la categoría de anclaje a utilizar. Es importante indicar que la evaluación del primer parámetro, marcará el filtro para la elección de la categoría de anclaje a ser aplicado, ya que asociará el tiempo de exposición de la labor minera, con las características mecánicas de la categoría del anclaje. Recordando que los pernos de anclaje están agrupados en dos categorías de refuerzo: adherencia y fricción. Dentro de los cuales se encuentran agrupados los diversos tipos de anclajes conocidos en el mercado. 9.2.2. Tiempo de Exposición La evaluación del tiempo de exposición, asociada al grado se seguridad requerida de la labor subterránea inestable, determinará el filtro de selección de la categoría de anclajes a ser aplicada.
En esta parte del análisis, es importante tener claro si la categoría del anclaje seleccionado corresponde a un soporte permanente o si es que esta corresponde a un soporte temporal. Esta premisa es importante al momento de seleccionar el tipo de sostenimiento, ya que las categorías por adherencia están asociadas a sostenimiento permanente, mientas que la categoría por fricción esta asociada a sostenimiento temporal.
Como ejemplo de esta selección, el sostenimiento de una labor subterránea, como el caso de una Rampa, deberá ser estabilizada aplicando anclajes por adherencia: Barra Helicoidal, ya que tendrá un mayor tiempo de exposición pág. 24
[sostenimiento permanente] asociado a una capacidad de carga alta del perno de anclaje. Una vez seleccionada la categoría del anclaje, se tendrá que optar por un tipo de anclaje de la categoría de refuerzo para el mejor control de las inestabilidades subterráneas. En esta etapa se tendrán que evaluar factores operativos, mecánicos y de costo – beneficio para cada una de las alternativas de anclajes pertenecientes a dicha categoría, asociadas a la condición geomecánica del medio. 9.2.3. Capacidad de Carga. La capacidad de carga que ofrece el perno de anclaje, esta representada por el tonelaje que ofrece en el control de las inestabilidades subterráneas.
En esta etapa, es importante tener en cuenta que existe una diferencia entre el elemento de sostenimiento antes de ser inserto y el aplicado en el macizo rocoso.
La capacidad de carga del anclaje, es el resultado de la medición cuando este se encuentra dispuesto dentro de la masa rocosa. Por ello, se debe tener claro el concepto de anclaje, el cual resulta de la asociación del macizo rocoso, el perno de acero, y los encapsulantes aplicados: cartuchos de cemento, cartuchos de resina e inyecciones de lechada de cemento. 9.2.4. Capacidad de Carga - Ensayos. La capacidad de carga real del anclaje seleccionado, es obtenida mediante un programa de monitoreo, que consiste en efectuar pruebas de arranque o también llamados ensayos “pull tests”. Es importante en esta etapa tener en cuenta que las capacidades de carga de los anclajes monitoreados, estarán en relación directa al dominio geomecánico en el cual fueron aplicados.
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Como patrones de evaluación se debe indicar que los anclajes de la categoría por adherencia, ofrecen las mayores capacidades de carga. Mientras que los anclajes de la categoría por fricción, ofrecen capacidades de carga menores que los anclajes por adherencia.
Una recomendación importante a seguir, antes de estandarizar un tipo de anclaje en el proyecto subterráneo, es efectuar los programas de ensayos con las diversas alternativas de anclajes durante el proceso de selección de la alternativa de sostenimiento. Con ello se logrará documentar las capacidades de carga reales que ofrecen los anclajes, en función a las condiciones geomecánicas características del yacimiento y a los requerimientos de diseño. Estos programas deberán ser desarrollados cada uno de los dominios geomecánicos característicos del proyecto subterráneo, es decir, deberán ser diferenciados de los dominios dominantes y aleatorios de cada una de las labores subterráneas.
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9.2.5. Control de Calidad de los Elementos de Soporte Evaluación de las Propiedades Mecánicas de los Pernos de Anclaje, Evaluación de las propiedades mecánicas pre instalación y propiedades mecánicas post instalación [simbiosis roca y simbiosis encapsulante]: Control de Calidad Antes, Durante y Después de la aplicación soporte.
Parámetros de Análisis: Límite de Fluencia del Acero. Resistencia a la tracción del Acero. Capacidades de carga logradas. Análisis de curvas deformación vs carga. 9.2.6. Análisis de los factores de Seguridad (FS) Establecimiento de los Factores de Seguridad a aplicarse en los diseños subterráneos para el control de la Estabilidad de las excavaciones. La determinación de los factores de seguridad estará asociadas a los, Tiempos de exposición de las labores mineras. Es decir los FS estarán en relación directa al tiempo de exposición de las labores a ejecutarse.
El grado de seguridad demandado para la estabilidad de la labor subterránea, deberá analizarse y controlarse con la alternativa o las alternativas de sostenimiento a aplicarse, para no caer en un sobredimensionamiento de dichos sistemas de soporte. Establecimiento de corridas con ayuda de Software Geomecánicos. 9.2.7. Dimensionamiento de la labor minera Vincula el análisis de las aberturas expuestas susceptibles a inestabilidad.
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En ésta etapa, el dimensionamiento - abiertos de las excavaciones, tomará un papel clave en la elección de las alternativas de soporte a proponer; ya que conjugará factores externos más complejos cuando más grande sea la excavación. La determinación del soporte, estará vinculada al dimensionamiento de los elementos de sostenimiento a proponer, así como los equipamientos anexos que serán destinados para la aplicación del soporte.
Se debe visualizar la capacidad de equipo que cuenta el Proyecto Civil o Minero, para la aplicabilidad de los elementos de soporte propuestos. Caso contrario, de no existir los equipos adecuados proponer sistemas de reemplazo con la disponibilidad de equipo de la compañía. 9.2.8. Evaluación de Costo Beneficio En esta etapa es vital la evaluación de costo beneficio de la alternativa de perno de anclaje selecciona. La evaluación de beneficio de carga es importante, anexada al costo del anclaje, estableciendo el índice: USD/Tn. Sostenida.
Es decir a que costo sostenemos una tonelada de masa rocosa, estableciendo de esta forma una optimización del sostenimiento aplicado en la operación subterránea, esto contribuirá a un mejor control de los costos de sostenimiento en el proyecto. De otro lado es importante analizar el Servicio Post Venta de los Proveedores, asociado al beneficio del producto. En esta etapa el servicio es vital para la estandarización y control de la aplicación efectiva del anclaje seleccionado.
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10. ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO 10.1. CATEGORÍA DE LOS ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO Conforme a la funcionalidad de soporte para el control de las inestabilidades de la masa rocosa, los elementos de sostenimiento son clasificados en dos categorías de soporte: Sostenimiento por Refuerzo y Sostenimiento por Soporte. Dicha clasificación se basa en la aplicabilidad de los elementos de sostenimiento con relación a su disposición en la masa rocosa. Conforme a ello los elementos podrán ser aplicados como soporte interno [Sostenimiento por Refuerzo] y como soporte externo [Sostenimiento por Soporte].
La aplicabilidad de cada alternativa de soporte, obedecerá a la complejidad de la inestabilidad de la masa rocosa a sostener [Características Geomecánicas de la masa rocosa] y a la disponibilidad operativa.
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10.2. SOSTENIMIENTO POR REFUERZO. Como lo indicáramos, la aplicabilidad de esta categoría de sostenimiento, corresponde a elementos de soporte dispuestos dentro de la masa rocosa. Siendo sus exponentes los Pernos de Anclaje [Bolt] y los Cables de Acero [Cable Bolting]. Dentro de este esquema conforme al mecanismo de anclaje dentro de la masa rocosa; los pernos son clasificados en dos tipos de anclajes: A) Los Anclajes por Adherencia, son elementos que necesitan de una matriz para fijarse en la masa rocosa. Dicha matriz es constituida por encapsulantes, los cuales tendrán que fusionarse con la Barra de Acero [Alma del Anclaje], afín de constituir el Anclaje. Ejemplo los anclajes de Barra Helicoidal. B) Los Anclajes por Fricción, no necesitan de una matriz cementante para fijarse en el taladro, generando presiones radiales a lo largo del anclaje instalado. Ejemplo los pernos de anclaje Split Set.
11. PERNOS DE ANCLAJE CON BARRAS HELICOIDALES El Anclaje con Barra Helicoidal, está constituido por una Barra de Acero de rosca continua a lo largo del perno (Helicoidal), asociado a la dotación de una matriz (encapsulante), la cual será introducida previamente en el taladro. Es el perno de anclaje que aporta la mayor capacidad de carga.
Las matrices corresponden a diversas alternativas de encapsulantes, lo que permite una versatilidad operativa para la aplicación de la Barra Helicoidal. Los encapsulantes más utilizados corresponden a: cartuchos de resina, cartuchos de cemento y lechada de cemento; pudiendo establecerse híbridos conforme a las exigencias del diseño geomecánico.
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La selección del tipo de encapsulante a utilizar, estará influenciada por las características geomecánicas del frente, la velocidad de sostenimiento que se requiere; la funcionalidad de la excavación (tiempos de exposición); y el grado de seguridad requerido.
11.1. ANCLAJES POR ADHERENCIA - ALTERNATIVAS DE ENCAPSULANTES Producto de la evaluación geomecánica de la masa rocosa del frente de avance, se dispondrán las medidas relacionadas a determinar el tipo de encapsulante a ser utilizado, la distribución de las mallas para la perforación de los taladros, y las características físicas del anclaje de acero [diámetros y longitudes].
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Respecto a la selección de las alternativas de encapsulantes, deben de tomarse las siguientes consideraciones durante la elección:
De usarse Cartuchos de Cemento, La aplicación de esta alternativa dependerá de un buen manejo de los tiempos de auto sostenimiento del frente de avance. Su uso en toda la columna del taladro, determinará un aporte de capacidad de carga efectiva del anclaje a partir de las 10 - 12 horas de haber sido instalada la barra de acero.
De usarse Cartuchos de Resina, La aplicación de esta alternativa dependerá de un buen manejo de los tiempos de auto sostenimiento y de un buen control de los diámetros de perforación receptores de los cartuchos de resina. Su uso en toda la columna del taladro, determinará un aporte de capacidad de carga efectiva del anclaje a partir de las 5 - 10 minutos de haber sido instalada la Barra de acero - Helicoidal. La aplicabilidad de Resinas por lo general es usada como Cebo, es decir su disposición se encuentra en el fondo del taladro.
De usarse Inyecciones de Cemento, La aplicación de esta alternativa al igual que los cartuchos de cemento, dependerá de un manejo adecuado de los tiempos de auto sostenimiento del frente a sostener. Su uso en toda la columna del taladro, determinará un aporte de capacidad de carga efectiva del anclaje a partir de las 20 - 24 horas de haber sido instalada la Barra de acero – Helicoidal.
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12. PERNOS DE ANCLAJE POR FRICCION – SPLIT SET Los pernos de anclaje por fricción se caracterizan por anclarse a la masa rocosa sin necesidad de poseer una matriz encapsulante para ser fijados a la roca. Su funcionalidad radica en la presión que estos ejercen sobre la masa rocosa longitudinalmente (a lo largo del perno) una vez estos son instalados. El anclaje efectúa una presión en forma radial a lo largo del perno, controlando de esta manera los desplazamientos de bloques o cuñas. Este tipo de anclajes es aplicado en labores mineras de poco tiempo de exposición principalmente.
La funcionalidad efectiva de este tipo de anclajes radica en el diámetro de perforación de los taladros (aguajeros en el taladro) que recibirán a los Tubos Estabilizadores de Roca – Split Set, los diámetros deberán ser menores de 39mm, ya que el Split Set posee este diámetro de diseño. Asimismo estos anclajes deberán estar conformados de flejes de calidad estructural, afín de garantizar la capacidad de resortes.
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El perno split set es un tipo de sostenimiento metálico considerado TEMPORAL que trabajan por fricción (resistencia al deslizamiento) a lo largo de toda la longitud del taladro.
El split set, consiste de un tubo ranurado a lo largo de su longitud, uno de los extremos es ahusado y el otro lleva un anillo soldado para mantener la platina. Al ser introducido el perno a presión dentro de un taladro de menor diámetro, se genera una presión radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este
La fricción en el contacto con la superficie del taladro y la superficie externa del tubo ranurado constituye el anclaje, el cual se opondrá al movimiento o separación de la roca circundante al perno, logrando así Sostenimiento en Labores Mineras Subterráneas proceso. Indirectamente una tensión de carga. pág. 36
12.1. PARÁMETROS Diámetro: 39 milímetros. Longitud: 5 pies (1.50 metros). Resistencia: De 1 a 1.5 Toneladas / pie de longitud, dependiendo principalmente del diámetro del taladro y del tipo de la roca. Tipo de roca: REGULAR a MALA, en roca intensamente fracturada y débil no es recomendable su uso. Instalación: Requiere una máquina jackleg o un jumbo. Una presión de aire de 60 a 80 psi. Diámetro de perforación del taladro: Es crucial para su eficacia. Es recomendable para los split set de 39 mm. un diámetro de perforación de 35 a 38 mm. Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean galvanizados.
Los bulones tipo Split-Set corresponden a una marca registrada por Ingersoll Rand Comp. (EE.UU.) y están constituidos por un tubo, de 2,3 mm de espesor, que tiene una ranura longitudinal y un diámetro superior al del taladro en el que va a ser anclado. El proceso de colocación de un Split-Set es sumamente sencillo, ya que basta con presentar el Split-Set en el taladro donde debe ser anclado e introducido a percusión.
12.2. FORMA DE TRABAJO Los estabilizadores de fricción “Split Set” están constituidos por un tubo de acero seccionado en su longitud. En el taladro el Split Set ejerce una presión radial contra la roca, su contacto es longitudinal y provee un inmediato refuerzo al macizo rocoso previniendo el movimiento o separación de los bloques a soportar.
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La estabilización se produce por fricción y la resistencia mínima aproximada es de 1.0 ton/pie (305 mm.).
12.3. TIPOS DE ANCLAJES La fricción ejercida por los costados del perno lo mantiene en su lugar creando fuerzas que se extienden radialmente. Este proceso provee la fuerza de fricción que actúa previniendo el movimiento o separación del terreno. Se alcanza valores de anclaje de 1 - 1,5 toneladas por cada 30,5 cm. con éstos elementos, dependiendo principalmente del anclaje y el tipo de la roca. Los estabilizadores se utilizan generalmente en roca severamente agrietada o fracturada sujeta a condiciones de baja tensión. Se usa adaptador (empujador) para empujar el estabilizador dentro de la perforación.
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La resistencia de estabilización de este tipo de Bulones puede verse influenciada por:
1. Diámetro del taladro perforado (más diámetro = menos resistencia). 2. La presencia de agua (agua dentro de la perforación = menos resistencia). 3. Presencia de fallas y fracturas (más fracturada = más resistencia). 4. Oxidación presente por la superficie del perno (tubo oxidado = más resistencia). 5. Tipo y calidad de la roca (roca más dura = menos resistencia).
12.4. VENTAJAS DE UTILIZARLOS Los Split-Set consiguen un cierto efecto de puesta en carga inmediato y permiten un deslizamiento muy importante antes de la rotura. Las ventajas principales de este método para la instalación de pernos de sostenimiento están la resistencia inmediata debido a su función como anclaje de la resina rápida y la reducción de costo de la lechada para estos elementos de sostenimiento de roca.
12.5. INCONVENIENTES DE UTILIZACIÓN Como aspectos negativos hay que señalar su escasa capacidad de anclaje, que en el mejor de los casos no sobrepasa las 11 t por bulón, la gran sensibilidad del anclaje al diámetro de perforación y los problemas que plantea su durabilidad.
12.6. INSTALACIÓN DE LOS SPLIT SET El proceso de colocación es sencillo y consiste en colocar el Split-Set en el taladro donde debe ser anclado e introducirlo a presión. Su puesta en carga es inmediata y permite un deslizamiento muy importante antes de la rotura.
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Están constituidos por un tubo de 2 a 3 mm de espesor, que presenta una ranura horizontal y un diámetro superior al del taladro Pertenecen al tipo de bulones de anclaje repartido. Trabajan por fricción, lo cual les permite mantener la carga máxima con unos desplazamientos muy importantes.
12.7. TIPOS DE SPLIT SET Los distintos fabricantes van generando nuevos desarrollos para sus productos, con lo que debo advertir que a pesar del esfuerzo que he realizado en este proyecto para incluir todos los tipos puede haber en el mercado alguno que no haya podido incluir. Dicho esto, creo que la clasificación más acertada sería:
12.7.1.
Split Set Estándar.
Se trata del clásico Split Set, aunque puede existir algunos modelos diferentes según el material con el que se construyan: Chapa de acero norma; galvanizada, etc.
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12.7.2.
Split Set Cementado
Se basa en el principio de los pernos mecánicos o de carga puntual cuyo Trabajo se realiza en el extremo del perno donde se ubica el anclaje.
En el extremo se sitúa un cartucho de cemento. La acción del Split Set generará un refuerzo longitudinal inmediato del macizo rocoso. Con la fragua de los cartuchos de cemento, ayudará a consolidar su resistencia total hasta 5 veces más que un split set estándar.
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12.8. ACCESORIOS 12.8.1.
Placas de Apoyo
A) Placa Plana
B) Placa en cúpula: Aplican una fuerza más distante del perímetro de la perforación y previenen la pérdida de la tensión en los pernos.
Para aquellos sostenimientos que se estima que sean de larga vida se requiere una protección especial pudiéndose pedir galvanizadas. Además de la clasificación previa, debemos añadir que si el terreno donde se va a colocar el bulón es irregular podremos disponer de placas de asiento esférico o biselado
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12.9. ADAPTADORES
12.10. PROBADOR HIDRÁULICO Todos los fabricantes recomiendan las pruebas de arranque en situ para verificar la resistencia de los elementos para el sostenimiento de terrenos. Son utilizados para hacer pruebas de arranque de los elementos de sostenimiento colocados. Con estos dispositivos se puede verificar la resistencia de los pernos en diferentes tipos de terreno y hacer comparaciones de los elementos, así como de su disposición.
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13. CONCLUSIONES
Los pernos necesarios para soportar los taludes finales de una excavación a corte abierto se deberán instalar tan pronto como sea posible, después de remover cada etapa de excavación y antes de hacer las voladuras correspondientes a la etapa de excavación siguiente.
Las longitudes básicas de anclaje (lb) dependen, entre otros factores, de las propiedades de adherencia de las barras y de la posición que ocupan en la pieza de hormigón.
Los anclajes transmiten al soporte las solicitaciones a que son sometidos, trabajando fundamentalmente a tracción, a esfuerzo cortante o una combinación de ambos.
Fundamental con el anclaje del terreno se consigue un sostenimiento efectivo mediante la instalación de barras de acero y su posterior inyectado, todo en un reducido espacio de talud o excavación.
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14. BIBLIOGRÁFIA ANCLAJES DE INYECCIÓN. Egesa Bauer, Catálogo Informativo, 6p. AYALA, F., et al (1987), “Manual de Taludes”, Instituto Geológico y Minero de España, 456 p. BARRON, K., COATES, D. y GYENGE, M., (1970), “Artificial Support of Rock Slopes”, Department of Energy and Resources, Mines Branch, Canada, Research Report No. 228, 144p. HABIB, P. (1989), “Recommendations for the Design, Calculation, Construction and Monitoring of Ground Anchorages”, A. A. Balkema, 115p. MEKANO4, S.A., (1996), “Anclajes al Terreno MK4”, Catálogo, 6 p, Barcelona, España. MUZÁS, F., (1980), “Anclajes”, capítulo 13, Tomo III, del libro “Geotecnia y Cimientos”, Edición coordinada y dirigida por José Antonio Jiménez Salas, Editorial Rueda, Madrid., pp. 1143 – 1153. SCHNABEL
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