SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO PARA MINERÍA PROFUNDA Michel Van Sint Jan F. Profesor de Ingeniería Geotécnica Pontificia Universidad Católica de Chile
CONTENIDO • • • • • • •
Obje Objeti tivo voss del del sopo soport rtee o reve revest stim imie ient ntoo Com Compo port rtam amie ient ntoo del del terr terren enoo Requ Requis isit itos os del del reve revest stim imie ient ntoo Elem Elemen enttos (ma (mate teri rial ales es)) de sop sopor orte te Sost Sosten enim imie ient ntoo par paraa min miner ería ía prof profun unda da Ensayos Cons Consid ider eraci acion ones es sob sobre re pro proce cedi dimi mien ento toss de diseño
DISEÑO ACEPTABLE
OBJETIVO DEL REVESTIMIENTO: CONTROL DE GRIETAS GRIETAS (Túnel a presión, aducción) CONTROL DEL TERRENO (DESPLAZAMIENTOS) SOPORTE SOPORTE DEL TERRENO TERRENO (RESISTENC (RESISTENCIA) IA) DISEÑO ESTRUCTURAL: EVALUAR EVALUAR CARGAS CARGAS SOBRE SOBRE EL REVEST REVESTIMIEN IMIENTO TO Tipo de cargas del terreno y condiciones de borde Momento y fuerza axial en las secciones críticas
EVALUAR LA CAPACIDAD DEL REVESTIMIENTO: RESISTENCIA DESPLAZAMIENTO
COMPORTAMIENTO DEL TERRENO EN TÚNELES: Condición
Función del soporte
•
Elástico
(No necesita soporte)
•
Aflojamiento de bloques
•
Triturado, químicamente sano
•
Deformación plástica [Fluencia]
(Permitir deformación, resistir)
•
Hinchamiento
(Permitir deformación, resistir)
•
Falla frágil
(Sujetar bloques, pronto o antes) (Sujetar pronto o antes)
(Permitir deformación dinámica, resistir)
Condición
Soporte
•
Aflojamiento de bloques
RESISTENCIA
•
Triturado, químicamente sano
•
Deformación plástica [Fluencia]
•
Hinchamiento
•
Falla frágil
DEFORMACIÓN
DEFORMACIÓN DINÁMICA
AFLOJAMIENTO DE BLOQUES: Objetivo del soporte: minimizar el aflojamiento (Evitar la progresión del aflojamiento) ¿Cómo?: sujetando rápidamente los bloques críticos.
Zonas blandas, mal apoyo
Marcos metálicos Con “encastillado” de madera.
AFLOJAMIENTO Y CAÍDA DE BLOQUES Sujetar bloques críticos
Aflojamiento
Falla A Falla B
MPBX = 0”
Cables
Acción de los pernos o cables
Deslizamiento de bloques desde las paredes. Bloque limitado por zonas de cizalle. Los pernos instalados inicialmente no eran suficientemente largos para sujetar el bloque en la roca estable, detrás de la zona potencial de deslizamiento. Tampoco tenían la capacidad suficiente para sujetar el bloque. Solución: pernos más largos y de mayor capacidad, TOTALMENTE INYECTADOS
Roca triturada, químicamente sana Rodadura o deslizamiento desde el frente. Caída desde el techo. (Además, en este caso, con flujo de agua, resulta flujo del terreno). Sostenimiento: Afirmar el terreno incluso antes de excavarlo (soporte previo). Impedir deformación del terreno.
Roca triturada
Pre soporte del frente Alternativas: marchiavantis, paraguas de inyecciones, congelamiento, otras técnicas.
Fluencia plástica
El revestimiento debe tener flexibilidad o ductilidad para lograr un estado de equilibrio. A medida que el terreno le impone una deformación al revestimiento, este reacciona ejerciendo una presión sobre el terreno. El objetivo es lograr una presión tal que, sin que el revestimiento se rompa, se estabilice el terreno (se detenga su desplazamiento)
Un caso extremo
DEFORMACIÓN PLÁSTICA (Fluencia)
σ
εfluencia
ε
Deformación del terreno al hacer la excavación
Terreno con comportamiento plástico (fluencia) Objetivos del revestimiento: ayudar al terreno a formar un anillo auto soportante estabilizar el movimiento del terreno
Parámetros importantes del revestimiento: 1. Rigidez (flexibilidad) 2. Capacidad 3. Tiempo y avance transcurrido hasta la instalación
Hinchamiento
Hinchamiento o expansión u ó εz
u ó εz
p
p (escala log) p
u
Croquis del ensayo de hinchamiento
p= presión vertical u = desplazamiento vertical (hinchamiento)
Hinchamiento
Rocas expansivas
Hinchamiento
Objetivo: Como en el caso de fluencia, permitir la deformación del terreno hasta lograr una situación de equilibrio a una presión razonable.
FLUENCIA LENTA Deformación ε1 ε2 a carga constante.
σ1 − σ3
Ensayo convencional (rotura en 10’).
(σ1 − σ3)r Deformación a carga constante
ε2 ε1
ε1
ε2
ε
t (tiempo)
Túneles en terreno con comportamiento de fluencia
Fluencia lenta
Nt > aproximadamente 5 a 6
H, γ , c >0, φ>0
Túnel
Pa= presión del aire
Nt=
Nt <1 >1 <4 4-5 5-6 6-7 >7
pv = γ ·H
pv - pa qu
Comportamiento Estable (Puede haber “fluencia” (creep)) Movimiento plástico + fluencia (creep) Fluencia lenta, sin mayores problemas. Movimiento rápido. Puede necesitar escudo. Terreno puede fluir en la “cola” del escudo antes que se inyecte. Problemas de estabilidad en el frente No se puede manejar el escudo
Fluencia lenta
FLUENCIA LENTA (SQUEEZING) EN TÚNELES SIN REVESTIR ∆R/Ro (%)
30
Casos extremos
Severo Severo Problemas menores
1 (Resistencia del macizo rocoso)/(Tensión in situ) σcm /po
ANILLO CEDENTE PARA SOPORTE DE TERRENO EN FLUENCIA
Solución para la presión radial sobre un revestimiento continuo en terreno con comportamiento de fluencia. Presión disminuye si se retarda la instalación del revestimiento. ¡CUIDADO! No considera reducción de resistencia con el desplazamiento
REVESTIMIENTO: FLEXIBLE (EN FLEXIÓN) EN CONTACTO CONTINUO CON EL TERRENO
Zonas blandas, mal apoyo
Marcos deslizantes
Marcos metálicos
Marcos metálicos Marcos pandeados
Marcos deslizantes
OTROS ELEMENTOS DE SOPORTE
Cables de acero.
Cable, placa y cono
Conos deficientes
Tensado
Acero frágil.
El cabezal externo debe apoyarse en una fundación de hormigón, sobre un muro, o sobre una viga de hormigón.
El anclaje exterior de los cables trenzados se realiza con cuñas cónicas, las que se cierran por la misma tensión que ejerce el cable.
Pernos (de Barra Helicoidal).
Pernos, placa y tuercas
Tensado con cilindro hidráulico
Pernos, placa y tuercas
Tensado con llave de torque
Pérdida de carga: ∆T= ∆L*A*E/LL Ejemplo: A=1cm2; E=2,1*106 Kg/cm2; LL=3m Si ∆L=3mm ∆T= 2,1 ton.
=LL
Malla soldada
Cuidar unión de los traslapos
Malla tejida
Malla metálica
Aguas ácidas
Tiras metálicas
Malla sintética (TENSAR)
Instalación
Malla metálica
2.7 Shotcrete
SHOTCRETE
SHOTCRETE +
+ Malla soldada
+ Malla tejida y pernos
+ Cerchas metálicas
+ Malla soldada y cerchas de reticulado
Revestimiento sintético
MINERÍA PROFUNDA, TENSIONES ELEVADAS Proceso de Hundimiento (Caving) en minerí a subterránea
Falla frágil en roca dura y con tensiones elevadas
Concentración de tensiones
Estallido de rocas
ESTALLIDOS DE ROCA
Falla frágil
DAÑOS
Falla frágil
ESTALLIDOS DE ROCA
47
DAÑOS
48
Falla frágil
Falla por estallido de rocas. Objetivos del revestimiento: Permitir deformación controlada, evitar colapso del túnel
“Mesh and lacing”
Shotcrete reforzado EL SISTEMA COMPLETO DEBE RESISTIR
Deformación de fluencia del acero = 0,002*Longitud libre. Si LL=5m, fluencia con ∆=1cm. Estrangulamiento (necking) Rotura con ∆ 5cm. →
≈
FALTA DUCTILIDAD
Barra de 22,5mm, acero de 2800 Kg/cm 2. Resistencia en corte semejante a resistencia en tracción 12 a 18 tons. ≈
ENSAYOS DE CORTE (CIZALLE) DE ROCA REFORZADA CON BARRA HELICOIDAL
¿Por qué el perno queda sin lechada? (La roca se separa del perno) σ1
Campo de tensiones elevado, la perforación para el perno produce una concentración de tensiones que puede provocar rotura de la roca por tracción. Mecanismo de falla: Efecto de arco, flexión de la roca en el vano, rotura de bloques y separación de los pernos. Placa cargada en los bordes: falla en flexión.
Ensayo de placa y de tuerca.
Tesis de Miguel Palape. COMPORTAMIENTO DE LAS PLACAS METALICAS.
Modo de falla de las placas en un estallido de rocas.
Estudio en laboratorio de la capacidad de las placas bajo las condiciones de deformación observadas en terreno. 55
Test set up to reproduce the failure mode observed in the field
Laboratory folding tests
Rotura por PUNZONAMIENTO DEL SHOTCRETE
Soluciones: Placa externa, sobre el shotcrete Mayor espesor de shotcrete Placa más grande
REQUISITOS DEL SISTEMA DE SOPORTE PARA CARGAS DINÁMICAS: DUCTILIDAD •CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA •TODO EL SISTEMA DEBE FUNCIONAR (BUSCAR EL ESLABÓN MÁS DÉBIL)
DURABAR
CONE BOLTS
ENSAYOS DE PANELES
TRANSFERENCIA DE CARGA DEL SHOTCRETE A LOS PERNOS Y EFECTO DE ARCO
1.1.1.3.
Malla A
Biela
) N k ( a g r a C
Malla B
Desplazamiento (cm)
Típicamente: rotura de una hebra en contacto con la placa.
Malla A ) J k ( a í g r e n E
Malla B
Desplazamiento (cm) Absorción de energía de Mallas
Comportamiento de la malla metálica Modelo 3-D para análisis numérico
Aspecto de la malla cargada qz
Fuerza qy
qx
qz qx
qy
Deformación
64
Comportamiento malla tejida Comparación entre ensayos y resultados del modelo
S. Boldrini.
Alambre: 5mm de diámetro f y =10kN Rombos de 14X16 cm según las diagonales
65
Malla en cable de acero con uniones en los cruces
ENSAYOS PARA MEDIR LA RIGIDEZ Y RESISTENCIA DE UNA MALLA en la orientación de su plano.
DESEABLE: COMPORTAMIENTO ISOTRÓPICO
Shotcrete con fibra
Fibra metálica
Fibra sintética
ENSAYOS PANELES DE SHOTCRETE REFORZADO CON FIBRA SINTÉTICA
Vista inferior a 11,5 ton
69
PANELES Deformación DE SHOTCRETE al Centro 30
Malla
Fibra sintética Kg/m3
25
1B 2A
6,0
2B 3A
6,75
3B
20
4A
9,0
) n o t ( a15 g r a C
4B
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
70 (cm) Deformación
14
16
18
20
1.1.1.3.
Energía Acumulada 30000 25000 ) s e l u o J ( a i g r e n E
20000 15000
1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B
Malla Fibra 6,0 Kg/m 3 6,75
9,00
10000 5000 0
0
2
4 6 Deformación (cm) 71
8
10
Ensayos dinámicos: alternativas de ensayo
Simple: ensayo de impacto 72
W=100Kg H=50m Área = 2mx4m=8m2 E = 49 kJ O bien E = 6 kJ/m2
Malla metálica Malla con cables de acero. Flexible, fácil de instalar, resistente. Ensayos de impacto, caída libre de los bloques desde 3m de altura
Vistas después del tercer impacto sobre la misma muestra de malla
Ensayos dinámicos: alternativas de ensayo
Elaborado: ensayo inercial 76
MODELO PARA CALCULAR EL REVESTIMIENTO: Un sistema de varios grados de libertad, sometido a una carga impulsiva.
Mr, vo
kb /2
kb /2
Cb /2
Mr
X2 ks
Ms
Cb /2
C
X1 El diseño se debe hacer considerando todo el sistema, no solamente la capacidad de absorción de energía de los componentes por separado. s
77
CALIBRACIÓN Ws (t) Wr (t) Vo (m/s) Fys (t) Uys (cm) Urs (cm) Fyb (t) Uyb (cm) Urb (cm)
0.13
0.565
6.2
4.2
2.5
RESULTADO DE UN ENSAYO DE IMPACTO
25
50
0.1
50
RESULTADO DEL MODELO
Ws (t) Wr (t) Vo (m/s) Fys (t) Uys (cm) Urs (cm) Fyb (t) Uyb (cm) Urb (cm)
0.43
1.0
4
4.2
4.2
2.5
20
24
0.1
2
Fuerza en el shotcrete (tons)
3
Elongación de pernos (cm)
2 1
Flexión del shotcrete (cm)
0 0
0.005
0.01
Time (sec)
SOPORTE RÍ GIDO GIDO
0.015
Ws (t) Wr (t) Vo (m/s) Fys (t) Uys (cm) Urs (cm) Fyb (t) Uyb (cm) Urb (cm)
0.43
1.0
4.5
4.2
2.5
25
24
0.1
10
10 Flexión del shotcrete (cm)
8 6
Fuerza en el shotcrete (tons)
4 2
Desplazamiento de los pernos (cm)
0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
Time (sec)
COMPORTAMIENTO DE UN REVESTIMIENTO D ÚCTIL
¿Cuál es la solicitación? Vx
Vy
Aceleración
Vz
0,2
0,1 ) s / m ( y 0 t i c o l e V -0,1
-0,2 0
0,1
0,2
0,3
0,4
Time (s)
Tiempo
81
COMPARACIÓN NUMÉRICA DE ALTERNATIVAS DE ENSAYO
Modelo N°1; Caída Libre
Modelo N°2; Inercial
Modelo N°3; Pulso de Aceleración
Comparación numérica de diferentes ensayos Fuerza en la Malla vs. Tiempo 4.5 4 3.5
) n o t 3 ( a l l a 2.5 M a l n 2 e a z 1.5 r e u F
e c r o F
Impácto Vo=6,2m/s Inercial Vo=5m/s 0 Pulso (v0=3m/s) Pulso Vo=3m/s Impacto Directo (v0=6.2m/s)
1
Villaescusa (v =5m/s) 0.5 0
t n e m e c a l p s i D
0
0.02
0.04
0.06 tiempo (s)
0.08
0.1
0.12
Tiempo
Desplazamiento de la Mall a vs. Tiempo 0.25
0.2
) m (
o 0.15 t n e i m a z a 0.1 l p s e D
Impácto Vo=6,2m/s Inercial Vo=5m/s 0 Pulso Vo=3m/s Pulso (v =3m/s) 0 Impacto Directo (v0=6.2m/s)
0.05
0
Villaescusa (v =5m/s)
0
0.02
0.04
0.06 tiempo (s)
83
0.08
0.1
0.12
Time
DESAFÍOS DEL DISEÑO: DEFINIR LA SOLICITACIÓN ANALIZAR EL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DEFINIR LOS CRITERIOS DE ACEPTACIÓN FACTOR DE SEGURIDAD
RESISTENCIA
DESPLAZAMIENTO
FS i
FS i
F r ,i
= F
,
max i
=
ur ,i umax,i
