UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA E.A.P: INGENIERIA DE MINAS
EVALUACION DE LA ESTABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO DOCENTE: ING. FILADELFIO CRUZADO MEJIA CURSO :
GEOMECANICA
INTEGRANTES:
HERRERA INFANTE, ROBERTO MERA TAVERA, KEVIN TARRILLO RUBIO, HEBER YOPLA MURRUGARRA, MARIBEL
EVALUACION DE LA ESTABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO
INTRODUCCIÓN
La evaluación de la estabilidad del macizo rocoso en la minería es un tema de mucha importancia en el área de geotecnia aplicada generalmente a la seguridad minera. La estabilidad va a depender de muchos factores: cantidad de discontinuidades, calidad de la roca, humedad, etc El estudio de los procesos que ocurren en el macizo rocoso durante la explotación de los minerales posee una gran importancia, ya que ello permite, entre otras cosas mejores condiciones de seguridad del trabajo, aumentar su productividad y por ende, la efectividad económica y la disminución del impacto. Los macizos rocosos se diferencian entre sí por su composición (química y mineralógica), estructura, fuerza de cohesión entre sus partes componentes, existencia de defectos estructurales y otros factores
OBJETIVOS: Conocer y entender caracterización geomecánica de los macizos rocosos. Analizar los distintos modos de rotura dependiendo de los diferentes factores.
Conocer de donde parten los diferentes criterios para la evaluación de la estabilidad del macizo rocoso
ESTABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO
Un macizo rocoso es estable si se mantiene en estado estacionario, es decir, igual en el tiempo y una modificación razonablemente
pequeña de las condiciones iniciales no altera significativamente el futuro de la situación Se entiende por estabilidad a la seguridad de una masa de roca
contra la falla o movimiento
CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DE LOS MACIZOS ROCOSO
La cuantificación de los parámetros de resistencia y deformacionales, que gobiernan el comportamiento tenso – deformacional de cualquier excavación, es uno de los principales problemas que enfrenta la mecánica de rocas. El modelo geomecánico del macizo constituye una herramienta para estimar este comportamiento, sobre la base de que el mismo, parte de los aspectos netamente geológicos, incorporando todos los parámetros físicos, resistentes y deformacionales del macizo rocoso involucrado.
Cuanto más parámetros se logren incorporar, más representativo será el modelo geomecánico, del comportamiento real del macizo.
• Es conveniente aclarar que el modelo geomecánico no es una propiedad del macizo rocoso como tal, sino una representación de su estado y comportamiento en un momento dado que facilita el
estudio del macizo para determinadas condiciones.
FORMAS MAS FRECUENTES DE INESTABILIDAD Vuelcos • Vuelco por flexión • Desplome Deslizamientos • Deslizamientos rotacionales • Deslizamientos traslacionales
Vuelcos Es la rotación hacia delante y hacia el exterior de la ladera, de una masa de suelo o roca alrededor de un eje situado por debajo de su centro de gravedad • Vuelco por flexión Tiene lugar en rocas con un sistema
preferente
discontinuidades, vigas
voladizo.
formando
semicontinuas
Las
de
en
columnas
continuas cuando se doblan hacia delante, rompen por flexión
• Desplome
La parte movida cae con un
movimiento brusco de giro, al menos inicial, apoyado en su base externa
Deslizamientos
Es un desplazamiento ladera abajo de una masa de suelo o roca, que tiene lugar predominantemente sobre una o más superficies de rotura, o zonas
relativamente
delgadas
deformación de cizalla
con
intensa
• Deslizamientos rotacionales
La rotura se produce a lo largo de una superficie curvilínea y cóncava. El terreno experimenta una giro según un eje situado por encima del centro de gravedad de la masa deslizada.
Este tipo de mecanismo es característico de suelos cohesivos homogéneos y de macizos rocosos intensamente fracturados. En materiales arcillosos, especialmente si hay presencia de agua
• Deslizamientos traslacionales
Tiene lugar a lo largo de una superficie de
rotura plana o ondulada. La masa deslizada puede proseguir por la ladera
A medida que un deslizamiento traslacional progresa puede romperse, en particular si aumenta la velocidad
Pérdida de estabilidad por desprendimientos
La pérdida de estabilidad del macizo por el
desprendimiento, a causa de su propio peso de una zona fracturada es característico de los macizos
rocosos
afectados
(estratificados,
agrietados, con planos de clivaje y otros). El mecanismo por el que se produce esta pérdida de estabilidad es bastante simple de explicar: El peso de la roca que yace sobre la excavación es mayor que la resistencia al cortante de la roca, por lo que la roca se separa del macizo y cae
Desprendimientos o desplome Tipos de inestabilidad Corrimientos
Un flujo de arcilla Licuefacción Reptación
Desprendimientos
Generalmente este mecanismo ocurre en taludes bastante escarpados
.
Taludes bastante escarpados
DESPRENDIMIENTO: ANTES
DESPRENDIMIENTO: DESPUÉS
CORRIMIENTOS
Dentro de los corrimientos vamos a distinguir cuatro grandes grupos:
DESLIZAMIENTOS.
FLUJOS DE ARCILLA.
CORRIMIENTOS PROVOCADOS POR LA LICUEFACCIÓN.
REPTACIÓN.
DESLIZAMIENTOS
Se trata de un desplazamiento relativamente rápido de una masa de suelo y/o roca en el sentido de la pendiente o ladera
FLUJOS DE ARCILLA
Se trata del movimiento lento, semejante al de un glaciar, de una masa arcillosa con gran cantidad de agua. Se origina con frecuencia en el pie, a menudo desmenuzado, de un deslizamiento.
CORRIMIENTOS PROVOCADOS POR LA LICUEFACCIÓN
LICUEFACCIÓN: Proceso mediante el cual los materiales sólidos incoherentes de un estado sólido y estable se comportan como si se trataran de un líquido.
REPTACIÓN
4.5 Pérdida de estabilidad por desplazamiento, deformación y destrucción de la roca en el contorno de la excavación En este caso la pérdida de estabilidad se produce cuando las tensiones actuantes en el contorno de las excavaciones sobrepasan el valor de la resistencia de la roca. O sea, la condición de estabilidad del macizo, en el caso más general, viene dado por la siguiente expresión: 𝝈 − 𝐑𝐜 ≤ 𝟎
Donde 𝜎 , son las tensiones actuantes y RC la resistencia a compresión de la roca.
4.6. Criterios para la evaluación de la estabilidad del macizo rocoso Como se dijo anteriormente existen numerosos criterios para evaluar la estabilidad del macizo rocoso. En el presente trabajo se hace referencia a los métodos más difundidos para la evaluación de la estabilidad, relacionando su empleo al modelo geomecánico más representativo del macizo y a la forma preponderante en que se produce la pérdida de estabilidad, tratando en lo posible de sistematizar este análisis.
1. Evaluación de la estabilidad del macizo con el empleo de criterios ingenieriles empíricos (conocidos como clasificaciones geomecánicas) 2. Muchos autores parten del criterio de comparar las tensiones actuantes con la resistencia que ofrece el macizo rocoso, o sea se plantea que la excavación es estable cuando se cumple la siguiente condición. 𝑹−𝝈>𝟎
Siendo: R: Resistencia del macizo, MPa σ: Tensión actuante, MPa. A partir de este criterio general se plantean una serie de expresiones que con un mayor o menor grado de precisión cualifican la estabilidad del macizo rocoso.
3. Otro criterio para valorar la estabilidad es a partir de la formación y dimensiones de una zona de destrucción alrededor de la excavación. Este criterio se considera más generalizado que sus similares y permite tener en cuenta durante la evaluación de la estabilidad: la forma y dimensiones de la sección de la excavación, la relación existente entre las tensiones principales que actúan en el macizo y sus direcciones.
4. Para evaluar la estabilidad del macizo rocoso, en los que a su destrucción antecede la deformación plástica, se utiliza el criterio deformacional de resistencia, dado por la expresión: 𝜺𝒕 = 𝜺𝒆 + 𝜺𝒑 = 𝜺𝒆 ∗ 𝝅𝒑
Siendo: 𝜀𝑡: Deformación total (Límite). 𝜀𝑒: Deformación elástica. 𝜀𝑝: Deformación plástica. 𝜋𝑝: Parámetro que indica las características plásticas de las rocas, se determina por la expresión:
𝜺𝒕 𝝅𝒑 = 𝜺𝒆
Este comportamiento está caracterizado para un modelo elasto-plástico. Se estudia el caso de una excavación de sección circular de radio R0 en un medio elasto-plástico con plasticidad limitada, considerando un campo tensional inicial hidrostático (λ =1). Para este caso hasta una profundidad dada He el macizo se comporta como un medio elástico y los componentes de las tensiones se pueden determinar por las siguientes expresiones: 𝑹𝒐𝟐 𝝈𝑹 = 𝜸𝑯(𝟏 − 𝟐 ) 𝑹 𝑹𝒐𝟐 𝝈𝜽 = 𝜸𝑯(𝟏 + 𝟐 ) 𝑹
Siendo: R: Distancia del punto examinado al centro de la excavación.
Alrededor de la excavación se producirán solamente los desplazamientos radiales (U). 𝜸 ∗ 𝑯 𝑹𝒐𝟐 𝑼= ∗ 𝟐𝑮 𝑹
Si se analiza un punto del contorno de la excavación se tiene que (R=R0) y los valores de las tensiones y deformaciones serán:
𝝈𝑹 = 𝟎 , 𝝈𝜽 = 𝟐𝜸𝑯 y 𝑼 =
𝜸𝑯𝑹 𝟐𝑮
Para evaluar la estabilidad, en esta situación, en que se producen deformaciones plásticas en el contorno de la excavación se recomienda emplear el criterio de comparación de las tensiones actuantes con la resistencia real del macizo, pero afectada esta por un coeficiente que tenga en cuenta las características plásticas del medio; o sea:
𝑲𝒄 ∗ 𝜸 ∗ 𝑯 < 𝑹𝒄𝒎 ∗ 𝑲𝒆𝒆
Siendo: Rcm: Resistencia lineal a compresión del macizo rocoso. Kee: Coeficiente de elevación de la estabilidad del macizo rocoso que posee propiedades plásticas. Este coeficiente se puede obtener por la expresión:
𝟏 𝑲𝒆𝒆 = 𝟏 + (𝝅𝒑𝒔𝒊𝒏 𝝆 − 𝟏) 𝒔𝒊𝒏 𝝆
El sentido físico de este coeficiente (Kee), que siempre es mayor que 1 consiste en que el macizo al poseer características plásticas es afectado menos por la concentración de tensiones.
5. Valoración de los desplazamientos del macizo rocoso en los contornos de las excavaciones Otra vía usada, por algunos autores e institutos de investigación, para evaluar la estabilidad del macizo y que es inherente a la segunda y tercera forma de pérdida de estabilidad (según el modelo geomecánico de macizo que se estudie) es la que se basa en comparar los desplazamientos que sufre el macizo en el contorno de las excavaciones con valores tomados como patrones y que determinan determinados estados de estabilidad.
El macizo rocoso puede presentar distintos modos de rotura dependiendo de los siguientes factores:
Presencia o ausencia de las discontinuidades Orientación de los planos de discontinuidades en relación con la cara exterior del talud Espaciamiento de las discontinuidades en una, dos y tres dimensiones La resistencia al corte de las paredes de discontinuidades La continuidad de sus discontinuidades La influencia del agua
Rotura plana
Cuando el deslizamiento corresponde a uno o varios bloques a favor de planos de deslizamiento, las roturas se llaman planas. El deslizamiento plano suele producirse cuando la masa no esté confinada lateralmente.
(a) Rotura por un plano singular. (b) Rotura por un plano singular con grieta de tracción. (c) Rotura por plano escalonado y con puentes de roca matriz. (d) Rotura por una superficie poligonal formada por varios planos.
Para que ocurra la rotura plana a lo largo de una única superficie plana, han de cumplirse las siguientes condiciones cinemáticas y mecánicas descritas por Hoek & Bray (1981):
La superficie de rotura es un plano continuo que ha de tener el rumbo paralelo o casi paralelo a la superficie del talud (aproximadamente ±20°). La superficie de rotura debe buzar hacia el exterior del talud y salir por la superficie vista del desmonte (el buzamiento de superficie de rotura (y/) es menor que el buzamiento de la superficie del talud (s)). El buzamiento de la superficie de rotura (i//) debe de ser mayor que el ángulo de rozamiento ((¡o) de este plano. En el caso de que exista agua, la rotura plana se puede producir con y/ <(p . Las superficies laterales que separan el plano deslizante han de tener una resistencia despreciable diirente al conjunto.
Algunos aspectos sobre deslizamiento circular
La forma del deslizamiento circular parece que viene controlada principalmente por la relación de los parámetros resistentes del suelo y de la geometría del talud (Spencer, 1967; Bromhead, 1992).
La posición de la superficie de deslizamiento se puede aproximar utilizando el número de Janbu definido mediante la siguiente expresión (Janbu, 1973):
Extensiones laterales
Pueden ocurrir en macizos rocosos con diferente rigidez (véase Figura 2.11). Generalmente un estrato superior muy rígido descansa sobre un estrato inferior blando. El estrato superior se fragmenta en bloques que flotan sobre el estrato inferior.
Rotura por vuelco
El vuelco conlleva la rotación de los bloques, o columnas, en torno de una base fija bajo la acción gravitatoria o presión de agua en las discontinuidades. Implica que un estrato tiende a quedar colgado y soportado por la resistencia pasiva de las capas de la base del talud.
A - Vuelco por flexión ("flexural toppling"). B - Vuelco de bloques rígidos ("block toppling"). C - Vuelco por flexión de bloques (mixto) ("block-flexural toppling").
A - Vuelco en la base del talud producido por el empuje de la masa deslizada. B - Vuelco inducido por el sobrepeso de una masa deslizada. C - Deslizamiento y vuelco de la cabeza del talud por desplazamiento de los bloques del pie del talud. D - Vuelco de una roca columnar por erosión de la base. E - Vuelco desencadenado por grieta de tracción.
Rotura por pandeo
Este tipo de rotura, bastante singular, puede darse en determinados taludes con un elevado ángulo de inclinación y con una estratificación o fracturación de la roca paralela al talud. Puede progresar hacia el interior del talud y llegar sucesivamente a estratos subyacentes. A - Pandeo por flexión de placas continuas. B - Pandeo por flexión de placas fracturadas en taludes con frentes planos. C - Pandeo por flexión de placas fracturadas en taludes con frentes curvados y fracturados.
Desprendimientos
En los desprendimientos, una masa del terreno, o bloques sueltos, de cualquier tamaño, se separan de un talud escarpado, a lo largo de una superficie sobre la que hay poco o ningún desplazamiento tangencial, y se desplazan por el terreno rodando o rebotando, o cayendo verticalmente. Estas inestabilidades afectan frecuentemente a bloques aislados, aunque también pueden abarcar a grandes masas rocosas (Halliday & McKelvey, 2004).
A - Caída libre; B - Con rebote; C - Con rodamiento de las partículas.
Movimientos complejos
Los movimientos inestables complejos pueden ser (1) los movimientos generados en una parte por un tipo principal de movimiento y en otra parte por otro tipo principal, o (2) cuando la masa deslizante durante el proceso de desplazamiento pasa de un tipo principal de movimiento al otro.
CATEGORIAS DE INESTABILIDAD QUE NORMALMENTE
APARECEN EN COSTRUCCIONES SUBTERRANEAS:
1. inestabilidad estructural en macizos rocosos, con varias familias de diaclasas o con fallas de mucha pendiente. En este caso se puede mejorar la estabilidad con una nueva orientación de la cavidad aunque por lo general se tiene k utilizar elementos de sostenimiento. 2. Inestabilidad debido a la meteorización o hinchamiento de la roca. Este caso se da en rocas de mala calidad, aunque también puede aparecer en estratos de roca sana y dura.
3. Inestabilidad debido a la presencia de agua. Esta circunstancia se puede dar en cualquier macizo rocoso, pero es de especial importancia si se presenta una excesiva presión y caudal, para controlar una inestabilidad de este tipo hay que hacer un drenaje
adecuado
y
cementar
bien
las
juntas.
•
El coeficiente de seguridad (también conocido como factor de seguridad) es el cociente entre el valor calculado de la capacidad máxima de un sistema y el valor del requerimiento esperado real a que se verá sometido. Por este motivo es un número mayor que uno, que indica la capacidad en exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.
•
Los coeficientes de seguridad se aplican en todos los campos de la ingeniería, tanto eléctrica, como mecánica o civil, etc.
CONCLUSIONES La cuantificación de los parámetros de resistencia y deformacionales, que gobiernan el comportamiento tenso – deformacional de cualquier excavación, es uno de los principales problemas que enfrenta la mecánica de rocas. proporcionar conocimientos para poder efectuar una descripción y valoración técnica de macizos rocosos El macizo rocoso puede presentar distintos modos de rotura dependiendo de los siguientes factores: presencia o ausencia de las discontinuidades; orientación de los planos de discontinuidades en relación con la cara exterior del talud; espaciamiento de las discontinuidades en una, dos y tres dimensiones, etc
Muchos autores parten del criterio de comparar las tensiones actuantes con la resistencia que ofrece el macizo rocoso, o sea se plantea que la excavación es estable cuando se cumple la siguiente condición. 𝑹−𝝈 >𝟎
Siendo: R: Resistencia del macizo, MPa σ: Tensión actuante, MPa.
