ITSCVO SOFTWARE ROCDATA - Fernando CHAVEZ JAVIER.pdf

DIPLOMADO EN GEOMECÁNICA SUBTERRÁNEA Y SUPERFICIAL

INFORME TÉCNICO DE SUSTENTACIÓN DE CURSO VIRTUAL OFFLINE (ITSCVO) CURSO SOFTWARE ROCDATA

ESTUDIO ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE RESISTENCIA DEL MACIZO ROCOSO EN LOS TÚNELES: SUR Nv. 500 Y CGI Nv. 400, AÑO 2018

ALUMNO : FERNANDO CHAVEZ JAVIER DOCENTE: ING. GUILLERMO RODRIGUEZ CAYLLAHUA

CERRO DE PASCO - PERÚ, OCTUBRE 2018

RESUMEN EJECUTIVO El presente informe del módulo del manejo de software RocData de la firma Rocscience Inc se hizo un estudio de las propiedades de resistencia de la maza rocosa y su efecto escala en determinado punto. Dichos datos son de importancia para el estudio del Túnel Acceso principal CGI Sur Nv. 500 y el Túnel secundario CGI Nv. 400. Los resultados como esfuerzos principales, factor de disturbancia, ángulo de fricción, ángulo de fricción residual coeficiente de cohesión, módulo de Young entre, ensayo de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3, entre otros términos fueron imprescindibles para poder aplicar los criterios de rotura como Hoek- Brown, Barton Bandis, Mohr-Coulomb.

Palabras claves: Mohr-Coulomb, Hoek- Brown, Barton Bandis, curva de poder, Rocdata, criterios de rotura, esfuerzos principales.

2

INDICE RESUMEN EJECUTIVO .................................................................................... 2 1. INTRODUCCION ......................................................................................... 7 2. METODOLOGÍA DE ESTUDIOS ................................................................. 8 2.1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 8

2.2

OBJETIVOS ............................................................................................. 9

2.2.1

OBJETIVO GENERAL .......................................................................... 9

2.2.2

OBJETIVO ESPECIFICO ...................................................................... 9

2.3 ALCANCES .......................... ............. ........................... ........................... .......................... .......................... .......................... ............... .. 9 2.4

UBICACIÓN DEL PROYECTO .............................................................. 10

2.5 ASPECTOS GEOLOGICOS ................................... ...................... ........................... ........................... ................. .... 10 2.5.1

Caso 1: Tunel Sur Nv. 500 .................................................................. 11

2.5.2

Caso 2: Tunel CGI Nv. 400 ................................................................. 12

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 14 3.1. Criterio de Rotura ................................................................................... 16 3.2. Criterio de Rotura de HOEK y BROWN ................................................. 17 3.3. Criterio de Rotura de MORH – COULOMB ............................................ 20 3.4. Criterio de Rotura de Barton – Bandis.......................... ............. .......................... .......................... ............. 22 4. INVESTIGACIONES BÁSICAS ................................................................. 27 4.1. Caso 1: Túnel Sur Nv. 500 ..................................................................... 27 4.2. Caso 2: Túnel Sur Nv. 400 ..................................................................... 27 5.1. Estimación de los parámetros del macizo rocoso del Caso I ................. ............ ..... 29 a. Criterio de Hoek and Brown......................... ............ .......................... .......................... .......................... .................... ....... 29 b. Criterio de Mohr Coulomb Coulomb.......................... ............. .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 33 c. Criterio de Barton Bandis........................................................................... Bandis........................................................................... 36 5.2. Estimación de los parámetros del macizo rocoso del Caso II ................ 38 a. Criterio de Falla de Hoek and Brown .......................... ............ ........................... .......................... ............... .. 38 b. Criterio de Falla de Mohr – Coulomb ...................................................... 42 6. RESULTADOS .......................................................................................... 46 6.1. CASO I ................................................................................................... 46 a. Criterio de Falla de Hoek and Brown .......................... ............ ........................... .......................... ............... .. 46 3

b. Criterio de Falla de Mohr - Coulomb ...................................................... 46 c. Criterio de Falla de Barton Bandis ......................... ............ .......................... ........................... .................... ...... 47 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES......................... ............ .......................... .................... ....... 49 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 50 ANEXOS .......................... ............ .......................... ......................... .......................... ........................... ........................... ......................... ............... ... 51

4

INDICE DE FIGURAS Fig ura 01

: Ubicación Geográfica del Tunel (foto referencial) ............................................... 10

Fig ura 02

: Geología Regional del Tunel Sur Nv. 500 ............................................................ ............................................................ 11

Fig ura 03

: Muestra de mano, roca Granodior ita .................................................................... 12

Fig ura 04

: Muestra de mano, roca Andesita ............................................................ .......................................................................... .............. 12

Fig ura 05

: Corte transversal tr ansversal de la Geología Regional ........................................................ ........................................................... ... 13

Fig ura 06

: Ubicación de los túneles .............................................................. ....................................................................................... ......................... 13

Fig ura 07

: representación de esfuerzos en un punto dado ................................................... ................................................... 14

Fig ura 08

: Modelos Modelos de comportamiento esfuerzo – esfuerzo – deformación deformación ........................................ 08

Fig ura 09

: Factor de disturbancia Software RocData ......................................................... ............................................................ ... 19

Fig ura 10

: Relaciones entre esfuerzos principales mayores y menores para el criterio de Hoek y Brown y el equivalente de Mohr – Mohr – Coulomb. Coulomb. ............................................. 22

Fig ura 11

: Valores para JRC tomados a partir del Peine de Barton para una longitud de 10cm. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 25

Fig ura 12

: Ensayo de Tilt Test ........................................................... ............................................................................................... .................................... 26

Fig ura 13

: Estimacióndel factor “mi” para tipo de roca granodiorita .. granodiorita ...................................... .................................... 30

Fig ura 14

: Estimacióndel factor de disturbancia “D” .......................................................... ............................................................. ... 30

Fig ura 15

: resultaos obtenidos para el cr iterio de Morh Coulomb y Hoek y Brown .............. 31

Fig ura 16

: Gráfica de esfuerzos principales Hoek y Brown ................................................... 32

Fig ura 17

: Gráfica de resumen y esfuer zo normal vs tensión de corte ................................. ................................. 33

Fig ura 18

: Ingreso de datos para cálculo del criterio de Mohr – Mohr – Coulomb ............................ 34

Fig ura 19

: Resultados de datos calculados criterio de Mohr – Mohr – Coulomb Coulomb .............................. 34

Fig ura 20

: Relación de esfuer zos principales sima 1 y sigma 3 ............................................ 35

Fig ura 21

: Gráfica de resumen y esfuer zo normal vs tensión de corte ................................. 36

Fig ura 22

: Ingreso de la data y resultados del análisis criterio de Barto n Bandis ................. 37

Fig ura 23

: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 criterio de Barton Bandis ... 37

5

Fig ura 24

: Gráfica de resumen y esfuerzo normal vs tensión de corte para el criterio de Barton Bandis ......................................................................................................... 38

Fig ura 25

: ingreso de datos tomados en laboratorio de esfuerzos principales ..................... 40

Fig ura 26

: Datos calculados e ingresados (Sigci, GSI, mi, son calculados automáticamente con los esfuerzos) ................................................................................................... 40

Fig ura 27

: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 ........................................... 41

Fig ura 28


Fig ura 29

: Datos calculados e ingresados (c, phi, Sig, son calculados automáticamente con los esfuerzos) ......................................................................................................... 43

Fig ura 30

: Datos calculados e ingresados ............................................................................ 44

Fig ura 31

: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 ............................................ 44

Fig ura 32


Fig ura 33

: criterio de Hoek Y Brown ...................................................................................... 48

INDICE DE TABLAS Tabla N° 01: Valores aproximados para c y ϕ del macizo rocoso según su calidad .....................17 Tabla N° 02: Relaciones aproximadas entre calidad de los macizos rocosos y los valores de



. .............................................................................................. 20

Tabla N° 03: Valores típicos de

. ................................................................................... 24

las constantes

  

Tabla N° 04: Proyecto Túnel Principal CGI Nv. 500 ................................................................. 27 Tabla N° 05: Proyecto Túnel Principal CGI Nv. 400 ................................................................. 27 Tabla N° 06: representación de los esfuerzos principales ........................................................ 28 Tabla N° 07 : representación de los esfuerzos principales ........................................................ 39 Tabla N° 08: representación de los esfuerzos principales ........................................................ 43

6

1.INTRODUCCION En el desarrollo de labores ya sea subterráneas o a tajo abierto, es importante conocer las propiedades geomecánicas de nuestro macizo rocoso; así como sus propiedades elásticas, plásticas, ensayos de laboratorio como esfuerzos principales, factor de disturbancia, ángulo de fricción, ángulo de fricción residual coeficiente de cohesión, módulo de Young entre, ensayo de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3, entre otros nos ayudarán a cumplir el factor de seguridad deseado y los estándares de seguridad para garantizar operatividad al personal, los equipos y las operaciones El presente trabajo se realizó un análisis de nuestro proyecto de acceso principal CGI, con el principal objetivo de determinar características geomecánicas del macizo rocoso, algunos parámetros parámetros del diseño en dichas labores. Cabe mencionar que el estudio se hizo en el túnel Sur Nv. 500 y en el Túnel CGI Nv. 400, para lo cual se aplicaron los criterios de rotura de Hoek & Brown, Mohr Coulomb y Barton Bandis. Del mismo modo hicimos uso de software RocData en su versión 3.0 para el análisis de las mismas.

7

2. METODOLOGÍA DE ESTUDIOS Todo trabajo en la que se hace excavaciones en el macizo rocoso; ya sea a nivel superficial como subterraneo se crea una perturbación, relajación o desequilibrio de las fuerzas tensionales. Talvez el objetivo principal de nuestro proyecto el empleo de las diferentes técnicas de criterio de rotura de MORH COLOUMB, HOEK y BROW, BARTON BANDIS que nos ayudarán a un estudio mas profundo del macizo rocoso; además nos ayudara a controlar el desprendimiento de roca ya sea a nivel superficial como subterráneo. Dichos criterios los ensayaremos aplicando el software RocData, RocLab, Phace2. Una de las preguntas que se nos vienen a la mente es: ¿Cómo sabes cual es el tiempo de auto sostenimiento de una excavación ya sea a nivel subterráneo como superficial? Pues la respuesta a ello es el estudio del criterio de rotura de los autores anteriormente mencionados. Estos, representados mediante modelos matemáticos nos han demostrado que se está siendo aceptado y aplicados a nivel de muchos países. Nuestra investigación se está enfocada en dos casos, el Túnel Sur Nv. 500 y el túnel CGI Nv. 400 ubicados al Sur del tajo abierto Raul Rojas, Distrito de Paragsha, Provincia y Departamento de Pasco. Algunas limitaciones que se tuvieron durante el estudio es que no se contó con el laboratorio práctico; por lo que algunos datos serán extraídos de la biblioteca del software informático.

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El problema se basa principalmente a la caída de rocas por diversos factores geológicos e inestabilidad, relajación, perturbación del macizo rocoso. Para ello realizaremos un análisis geotécnico y estudio de la maza rocosa usando criterios de rotura de HOEK y BRONW, MOHR COULOMB aplicado al software computacional Phase2 v6.0, RocData 3.0. 8

2.2 OBJETIVOS 2.2.1 OBJETIVO GENERAL Caída de rocas, deslizamiento de la maza rocosa por diversos factores geológicos e inestabilidad, relajación, perturbación del macizo rocoso.

2.2.2 OBJETIVO ESPECIFICO -

Estudiar de manera detallada los criterios de rotura en el Túnel Sur Nv. 500 y el túnel CGI Nv. 400 ubicados al Sur del tajo abierto Raul Rojas, Distrito de Paragsha, Provincia y Departamento de Pasco.

-

Analizar los criterios de rotura de HOEK y BROWN, BARTON BANDIS y MOHR COULOMB.

-

Análisis geotécnico y estudio

de la caída de rocas por

diversos factores geológicos e inestabilidad, perturbación

relajación,

del macizo rocoso, usando criterios arriba

mencionados (HOEK y BRONW, MOHR COULOMB) -

Aplicación del software software computacional: Phase2 v6.0 y RocData 3.0.

2.3 ALCANCES Según el presente informe el alcance que tendrá dicho estudio será de tipo: 

Descriptivo: Porque se realizará una descripción y valuación de tallada de los criterios de rotura principales.



Explicativo: Porque al recopilar la data de campo, evaluarlos y estimar sus resultados obtendremos las posibles causas y soluciones y evitar desestabilidad del macizo rocoso.

9

2.4 UBICACIÓN DEL PROYECTO El proyecto Túnel Sur Nv. 500 y el túnel CGI Nv. 400 ubicados al Sur se ubica en la misma ciudad de Cerro de Pasco: 

Proyecto

: Túnel de acceso principal CGI



Departamento : Pasco



Provincia

: Pasco



Distrito

: Paragsha



Altitud

: 4380 msnm



Coordenadas : -

Túnel Sur :

-

Túnel CGI :

Fig ura 01: Ubicación Geográfica del Tunel (foto referencial) Fuente: Google Maps

2.5 ASPECTOS GEOLOGICOS Las rocas características de ambas zonas son lutitas calcáreas, pizarras y rocas piroclásticas como el conglomerado de rumiallana, roca con comportamiento piroclástico y sedimentario formada por cenizas volcánicas; además se puede notar la presencia de calizas grises fosilíferas y afloraciones de granodiorita.

10

2.5.1 Caso 1: Tunel Sur Nv. 500 Esta primera zona del túnel en estudio se observa afloraciones consistentes en granodiorita que conforman la parte superior de la formación, generalmente tienen un rumbo NW – SE, con un buzamiento de 50° a 60° SW. Adicionalmente se evaluó que el peso específico de la roca encajonante es 2.85 Ton/m3 (0.02795 MN/m3) con una profundidad de 500 m y factor de seguridad de 1.3.

Fig ura 02: Geología Regional del Tunel Sur Nv. 500 Fuente: Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico (INGEMMET)

11

Fig ura 03: Muestra de mano, roca Granodiorita Foto: Laboratorio de Petrología, Universidad Nacional Daniel Alcides Carrión – Cerro de Pasco

2.5.2 Caso 2: Tunel CGI Nv. 400 El segundo túnel se encuentra a una profundidad de 400 m en la que se pueden observar afloraciones consistentes en granito y andesitas que conforman la parte superior de la formación, generalmente tienen un rumbo promedio NW – SE, con buzamiento de 45° a 55° SW. El peso específico calculado en laboratorio es de 2.95 ton/m3 (0.02893 MN/m3).

Fig ura 04: Muestra de mano, roca Andesita Foto: Laboratorio de Petrología, Universidad Nacional Daniel Alcides Carrión – Cerro de Pasco

12

Anteriores estudios geológicos han determinado y considerado a este lugar una zona de alta mineralización por ser un cuello volcánico extinto.

Fig ura 05: Corte transversal de la Geología Regional Fuente: Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico (INGEMMET)

Fig ura 06: Ubicación de los túneles Fuente: Google Maps

13

3. MARCO TEÓRICO Las tensiones ejercidas en un punto del infinitesimal y muchos esfuerzos en diversos puntos hacen un sistema de esfuerzos resultantes el cual ejercen esfuerzos tensionales la roca a través de factores de calor entra en un proceso esfuerzo –deformación. Realizando un análisis vectorial podemos mencionar al tensor de tensiones Cauchy conformada por las tensiones normales en sus ejes respectivos y las tensiones de cizallamiento generadas por estas.

Fig ura 07 : representación de esfuerzos en un punto dado Fuente: Hernán Gavilanes J y Byron Andrade Haro, Introducción a la Ingeniería de TUNELES.

Donde:

 = ó   = ó 

La expresión matemática que representa el equilibrio de un cuerpo sometido a la acción de varios esfuerzos, permite definir nueve magnitudes iniciales para las componentes del tensor de tensiones

     

14

De la cual podemos obtener una representación tensional en tres dimensiones matricialmente respecto a los ejes y su dirección.

 =   ∗     

De los anterior podemos ya empezar a hablar de los esfuerzos tensodeformacionales para calcular las deformaciones o los desplazamientos de un material a partir de las tensiones actuantes, es necesario conocer las propiedades del mismo. Generalmente el comportamiento del material puede ser de dos tipos, elástico e inelástico. Usamos el término elástico para indicar que un material; en este caso rocoso porque la deformación es totalmente recuperable, en teoría; en la práctica admite ciertas tolerancias asociadas a un determinado periodo de tiempo. El término plástico se utiliza para indicar un estado del material cuya deformación se recupera solo en parte. Si las deformaciones en una dirección x, y o z resultan directamente proporcional

a su módulo de elasticidad por su variación de longitud,

entonces estamos hablando de la ley de Hooke.

Donde:

  

 =  ∗ : Tensión normal en la dirección “z”

: Módulo de elasticidad : deformación longitudinal (

∆⁄

)

Otro detalle que tenemos que tener en cuenta es el efecto Poisson; el cual es la relación entre la deformación lateral y la deformación longitudinal (en la dirección x, para nuestro ejemplo). 15



Coeficiente de Poisson ( ) =

 ó           ó  

Mencionado los podemos ya ver la gráfica del efecto de deformación según la fragilidad del material. El comportamiento dúctil de la resistencia pico y la residual son iguales. La deformación que se produce en pérdida de resistencia se llama deformación dúctil. El comportamiento frágil se caracteriza por presentar diferencias importantes entre la resistencia pico y la residual.

Fig ura 8: Modelos de comportamiento esfuerzo - deformación Fuente: Gonzales de Vallejo, Ingeniería Geológica

3.1. Criterio de Rotura Los criterios de rotura o resistencia de la base de los métodos empíricos, y permiten evaluar la resistencia de los macizos rocosos a partir de los esfuerzos actuantes y de las propiedades del material rocoso, proporcionando: 16

-

La respuesta de la roca intacta ante diversas condiciones de esfuerzo.

-

La predicción de la influencia de las discontinuidades en el comportamiento del macizo.

-

La predicción del comportamiento global de un macizo rocoso.

Los índices de calidad definidos mediante las clasificaciones geomecánicas permiten estimar la resistencia de forma aproximada, al establecer correlaciones entre las clases de roca y los parámetros resistentes

  y

del macizo rocoso (ver Cuadro 3.20). algunas

clasificaciones como GSI.

Clase de Roca RMR Cohesión (Mpa) Ángulo de rozamiento interno

I >80 >0.4

II 61-80 0.3-0.4

>45°

35° - 45°

III 41-60 0.2-0.3

IV 21-40 0.1-0.2

V <20 <0.1

25 - 35° 15 – 25° < 15°

Tabla N° 01: Valores aproximados para c y ϕ del macizo rocoso según su calidad

Fuente: Gonzales de Vallejo, Ingeniería Geológica

A continuación veremos los principales criterios de rotura planteado por: HOEK y BROWN, MOHR – COULOMB y BARTON – BANDIS.

3.2. Criterio de Rotura de HOEK y BROWN Es un criterio de rotura válido para macizos rocosos isótropos, y tiene en cuenta los factores que determinan la rotura de un m edio rocoso a gran escala, como son la no linealidad con el nivel de tensiones, la influencia del tipo de roca y del estado del macizo, la relación entre la resistencia a la compresión y a la tracción, la disminución del ángulo de rozamiento con el aumento de la tensión de confinamiento, etc.

17

El criterio fue desarrollado inicialmente para su aplicación a macizos rocosos fracturados sin alterar con matriz rocosa resistente, asumiendo que los bloques de roca están en contacto unos con otros y que la resistencia del macizo está controlada por la resistencia de las discontinuidades. La resistencia del macizo queda definida por la expresión:

    = 3    ∗   

(1)

Donde:

 , 3    ∗ − −4  ∑   ∗  ∑  ∗   1    =   ∑   ∑    

: son los esfuerzos principales mayor y menor en rotura. : Resistencia a la compresión simple de la matriz rocosa. :

;

Donde :

son los pares sucesivos de datos

provenientes de los ensayos triaxiales y el número total de esos pares de datos



es

   6 − −   − 9−3   : :

: RMR89 - 5

D:

Es factor de disturbancia al cual ha estado sometido el

macizo rocoso, causado por la voladura o pro las tensiones de relajación. El factor D varía desde 0 para macizos no perturbados hasta 1 para macizos altamente perturbados La resistencia a la compresión uniaxial o simple se obtienen cuando

3 = 0

en la ecuación (1) obteniendo:

 =  ∗ 

. 18

La resistencia a la tracción, obtenida con ecuación (1), obteniendo el siguiente resultado:

 = 3 =  =  

en la

.

Fig ura 09: Factor de disturbancia Software RocData Fuente: Rocsciense Inc

19

Criterio de Rotura empírico

l)

 ,  =   √  ∗ ∗    : Constantes macizo rocoso

empíricas

á

at

s rm

iar

: a

at

:

:

a

a

i o c

izl o

,

n

s

e d

i

s

te

aí C

. s a

n

c

o C

m

o R

r

a c

o

y

il

d(

o R

gr (a

: gi

ni

is R

o

a ( R

ar g

n (a d

R

Valores para el macizo rocos alterado o perturbado por voladuras (Disturbed) Valores para macizo rocoso sin perturbar ( Undisturbed ) Muestra de roca intacta m 7.0 10 15 17 Muestra de probeta de laboratorio sin s 1.0 1 1 1 discontinuidades. m 7.0 10 15 17 RMR= 100 Q =500 s 1.0 1 1 1 Maziso rocoso de muy buen calidad Bloque de roca sana. Juntas sin meteorizar y con espaciado de 1 a 3 m RMR = 85; Q= 100 Macizo rocoso de calidad buena Bloques de roca sana o ligeramente mereriorizada, conjuntas de 1 a 3m RMR = 65 Q = 10

g

(a

ar

n

5.14 0.082

5.82 0.082

8.56 0.082

m s

4.1 0.189

5.85 0.189

8.78 0.189

9.95 0.189

14.63 0.189

1.231 0.00293

1.395 0.00293

2.052 0.00293

4.298 0.0205

4.871 0.0205

7.163 0.0205

m s

2.006 0.0205

2.865 0.0205

a g

m s

0.128 0.00009

0.183 0.00009

0.273 0.00009

0.311 0.00009

0.458 0.00009

m s

0.947 0.00198

1.353 0.00198

2.030 0.00198

2.301 0.00198

3.383 0.00198

m s

0.029 0.000003

0.041 0.000003

0.061 0.000003

0.069 0.000003

0.102 0.000003

m s

0.447 0.00019

0.369 0.00019

0.959 0.00019

1.087 0.00019

1.598 0.00019

0.007 0.0000001

0.010 0.0000001

0.015 0.0000001

0.017 0.0000001

0.025 0.0000001

0.219 0.00002

0.313 0.00002

0.469 0.00002

0.532 0.00002

0.782 0.00002

m s m s

u c

25 1

3.43 0.082

0.821 0.00293

zr ar

25 1

2.4 0.082

0.575 0.00293

o n

m s

m s

Macizo rocoso de calidad buena Varias familias de discontinuidades moderadamente meteriorizada con espaciados de 0.3 a 1m. RMR = 44 Q = 11 Macizo rocoso de calidad mala Numerosas juntas meteorizadas con algo de relleno. Brechas compactas sin rellenos. Espacios de 0.03 a 0.5m RMR = 23 Q = 0.1 Macizo rocoso de calidad muy mala Numerosas juntas i ntensamente meteriorizadas con rellenos. Espaciados < 0.005 m. brechas con rellenos arcillosos. RMR = 3 Q= 0.001

n

i ibf

c o

d ot

o

b ia

s o

a

d n

c

li

s

a

oi

ir ,

g

s e

a

ur

at

gí

s o

er c

n

s e

a

at o

s

s i

s

a o

at

n

, o

e

s

s

g

a

y

f

n

a

r

o

c s

p

e n

A

iz

,

a

ar

s

a

) r

tai a

s

d

s b

y

oi

s

y or

m c

o

s

s tai

lo

s

s A

m

el

y er

)

c

s e

at

r

n

, cr

a s

iml lol

br

il

isr

, at

at

r

c

g m

l

s

si

si

ni

tai at

a

)

s l

u

n

c

, ni

s

s

n ó

a

a

a

e fr

s

s

cr

at

a m

ta

i

si ci

d

at

a

d

del

,

e

e

s s

s

et

n

)

y a

s a

d

lu

s

, s

e

it m

l:

son los esfuerzos   :principales mayor y menor en rotura.  : Resistencia a la compresión simple de la matriz rocosa.



y

:

o

Tabla N° 02: Relaciones aproximadas entre calidad de los macizos rocosos y los valores de las c onstantes



.

Fuente: Gonzales de Vallejo, Ingeniería Geológica

3.3. Criterio de Rotura de MORH – COULOMB Una premisa válida inicial, tal vez, es que la mayoría de las rocas oponen resistencia la rotura, tanto por la cohesión como por el rozamiento interno que pueden ser movilizados; entonces estas observaciones fueron los cimientos para plantear de una forma matemática y física del criterio de rotura. La resistencia de la matriz rocosa isótropa se puede evaluar mediante los criterios de rotura de Mohr- Coulomb y de Hoek y Brown. La principal diferencia entre ambos es que el primero es un 20

criterio lineal y el segundo no lineal, más adecuado al comportamiento mecánico real de las rocas. Este criterio expresa la resistencia al corte a lo largo de un plano en un estado triaxial de tensiones, obteniéndose la relación entre los esfuerzos normal y tangencial actuantes en el momento de la rotura mediante la expresión matemática:

 =   ∗  Donde:

   

: Tensión Tangencial : Tensión Normal : Cohesión : Ángulo de rozamiento de la matriz rocosa

 = 2√    = 11      ∗  3 11   = 21∗ 

Este criterio puede expresarse igualmente en función de sus esfuerzos principales

y

, permitiendo obtener la resistencia en

cualquier plano definido por . Para el plano crítico de rotura, 45° + /2, la expresión anterior tomará la forma:



=

Donde:

 3

:

Es la tensión mayor

:

Tensión menor

21



:

Resistencia cohesiva

3  =  ∗∗

Cuando

= 0,

 = − ∗∗  = +

será resistencia a la tracción simple:

; Resistencia a la compresión uniaxial de la roca. ; Resistencia a la tracción de la roca.

; Hoek y Brown

; Morh - Coulomb

Fig ura 10: Relaciones entre esfuerzos principales mayores y menores para el criterio de Hoek y Brown y el equivalente de Mohr – Coulomb.

Fuente: Rocsciense Inc

3.4. Criterio de Rotura de Barton – Bandis Se trata de un criterio empírico, deducido a partir del análisis del comportamiento de las discontinuidades en ensayos de laboratorio, 22

que permite estimar la resistencia al corte en discontinuidades rugosas. Se expresa de la siguiente forma:

 =  ∗ [ ∗  (  ) ]

Donde:

 

: Esfuerzo tangencial sobre el plano de discontinuidad : Tensión normal sobre el plano de discontinuidad

JRC : Coeficiente de rugosidad de la discontinuidad JCS : Resistencia a la compresión de la discontinuidad



: Ángulo básico de fricción interna de una superficie de deslizamiento

Según la expresión anterior la resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes: una componente friccional,



una

componente geométrica dada por el parámetro JRC, y una

 . Esta asperidad y la componente geométrica representan la rugosidad   Su valor es nulo para esfuerzos normales altos, cuando  = 1 . Los componente de “asperidad” controlada por la relación “

”

valores más representativos suelen estar entre 3 y 100. La

    

resistencia friccional total viene dada por es superior a 50°. A mayor valor de friccional total.

y por lo general no

menor valor de la resistencia

Con la relación de Barton y Choubey se obtienen ángulos de rozamiento muy altos para tensiones de compresión muy bajas sobre la discontinuidad. Por ello no debe usarse para tensiones tales que

 

 > 50, debiendo tomarse en estos casos un ángulo de

rozamiento constante independiente de la caiga, con un valor igual a:

 =   1.7 ∗  23

En general la pared de la junta está alterada y por lo tanto el ángulo de rozamiento residual será inferior al ángulo de la roca sana Para su evaluación se aplica la formula:

.

 =   20  20 

Donde:

  



: Es el rebote del martillo de Schmidt en superficie húmeda o seca meteorizada : es el rebote del martillo de Schmidt en superficie seca y sana sin meteorizar : es el ángulo de resistencia básico de la roca, y se obtiene de la siguiente tabla.

/

Roca

Cohesión

Ángulo de fricción básico

Andesita Arenisca Basalto Caliza Caliza margosa Cuarcita Diabasa Diorita Dolomía Esquisto

280 80-350 200-600 50-400 10-60 250-700 900-1.200 150 220-600 250 20-150* 300 150-400 150-500 60-100 150-350 30-350

45 30-50 48-55 35-50 30 40-55 40-50 50-55 25-35 25-30* 20-30* 35 30-40 45-58 45-50 35-45 40-60 15-25* 40-55 15-30* 30

Gabro Gneiss Granito Grauvaca Mármol Lutita Pizarra Toba

100-500 < 100* 7 -

Yeso Tabla N° 03: Valores típicos de



  

.

Fuente: Datos seleccionados a partir de Walthan (1999), Rahn (1986)

24

El coeficiente JRC depende de la rugosidad de las paredes de la discontinuidad, y varía entre 1 y 20. Se puede obtener a partir de

Fig ura 11: Valores para JRC tomados a partir del Peine de Barton para una longitud de 10cm. Fuente: Rocsciense Inc

El valor JRC depende de la aspereza de la superficie de la discontinuidad, la cual varía de 0 a 20, Barton – Bandis sugirieron calcular mediante el ensayo del tablero inclinado o también conocido como Tilt test 1, en el cual un par de superficies de discontinuidades emparejadas son inclinadas hasta que uno se deslice sobre el otro. Y el valor de JRC es estimado a partir del ángulo de inclinación α mediante la siguiente ecuación:

Donde:

 =     

1 Este

ensayo permite estimar el ángulo de rozamiento de discontinuidades o el ángulo de rozamiento básico de discontinuidades lizas a partir de los que se pueden evaluar el ángulo de rozamiento residual y el coeficiente de rugosidad, JRC, de las juntas.

25



JCS : Valor de resistencia a la compresión : KN/m3 : Resultados del esclerómetro.

 = 0.00088 ∗  ∗  1.01

Fig ura 12: Ensayo de Tilt Test Fuente: Gonzales de Vallejo, Ingeniería Geológica

26

4. INVESTIGACIONES BÁSICAS Nuestro estudio requirió realizar un estudio de campo (mapeo) y ensayos de laboratorio. Estos estudios nos permitieron mostrar los resultados:

4.1. Caso 1: Túnel Sur Nv. 500 Proyecto : Túnel Principal CGI DATOS GEOLÓGICOS

Descripción Profundidad Factor de Seguridad Rumbo Buzamiento Peso específico(roca encajonante) DATOS DEL TUNEL Resistencia a la compresión simple GSI Calidad de voladura de la roca Cohesión Ángulo de Fricción Esfuerzos tangencial JRC JCS Roca

Valor 500m 1.3 NW –SE 50° - 60° SW 2.85 ton/m3 (0.02795MN/m3) 95Mpa 55 Buena 25.25 Mpa 32 0.65 Mpa 15 43.75 Granodiorita

Tabla N° 04: Proyecto : Túnel Principal CGI Nv. 500 Fuente: CGI

4.2. Caso 2: Túnel Sur Nv. 400 Túnel Acceso Principal CGI DATOS GEOLÓGICOS

Profundidad Rumbo Buzamiento Peso específico(roca encajonante) GSI Calidad de voladura de la roca

500m NW –SE 45° - 55° SW 2.95 ton/m3 (0.02893MN/m3) 65 Regular

Tabla N° 05: Proyecto : Túnel Principal CGI Nv. 400

27

Fuente: CGI

Datos de ensayos de laboratorio Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 3 ( ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 1 ( 25.1663 30.8566 35.0410 39.5449 42.1045 46.0510 48.7438 53.1259 55.4477 59.3829 62.8403 63.1790 68.6905 70.1557 73.8122 76.0938 79.0544 80.9217 83.2997 85.7659

Tabla N° 06: representación de los esfuerzos principales Fuente: CGI

28

5. METODOLOGIA DE ANÁLISIS Para la estimación las propiedades mecánicas del macizo rocoso, se utilizara los criterios de falla de HOEK y BROWN, Mohr – Coulomb y Barton – Bandis en el caso del túnel Sur Nv. 500. Para el caso del túnel CGI Nv. 400 calculará con los criterios de Hoek – Brown y MOHR – COULOMB. Para los cálculos de los diferentes criterios se hizo uso software RocData 3.0 de la firma Rocscience.

5.1. Estimación de los parámetros del macizo rocoso del Caso I a. Criterio de Hoek and Brown -

Para el uso de este criterio se contarán con los siguientes datos:

-

El índice de resistencia geológica (GSI),

-

La constante de roca (mi)

-

Factor de disturbancia de voladura (D)

-

Peso específico de la roca y la profundidad del túnel.

-

Resistencia uniaxial para este caso fue estimada en el laboratorio con una muestra conuna relación de largo/ ancho de 2 - 2.5; para nuestro caso de 5cm de diámetro x 10 cm de longitud, lo cual nos da como resultado con un valor de 95 MPa.

-

RMR = 60; empleando la fórmula GSI= RMR 89 – 5

-

Mi = 29; (constante de roca) para tipo granodiorita

-

D = 0; aplicamos este valor por ser una voladura buena

29

Fig ura 13: Estimacióndel factor “mi” para tipo de roca granodiorita Fuente: Rocscience

Fig ura 14: Estimacióndel factor de disturbancia “D” Fuente: Rocscience

En la table siguiente mostramos el ingreso de datos de acuerdo a los datos proporcionados por CGI, datos ingresados al software RocData Sigci GSI Mi D

95 55 29 0 30

Fig ura 15: resultaos obtenidos para el criterio de Morh Coulomb y Hoek y Brown Fuente: Software RocData 3.0

31

Fig ura 16: Gráfica de esfuerzos principales Hoek y Brown Fuente: Software RocData 3.0

32

Fig ura 17 : Gráfica de resumen y esfuerzo normal vs tensión de corte Fuente: Software RocData 3.0

b. Criterio de Mohr Coulomb Para el empleo y la estimación de los parámetros del criterio de la maza rocosa de Mohr – Coulomb necesitamos contar con: C

   ℎ

: Coeficiente de cohesión

= 25.25 Mpa

: Ángulo de fricción

= 32°

: resistencia a la tracción

= -0.65

: Peso específico de la roca = 0.02795 MN/m3 : Profundidad del túnel

= 500m

33

Fig ura 18: Ingreso de datos para cálculo del criterio de Mohr - Coulomb Fuente: Software RocData 3.0

Fig ura 19: Resultados de datos calculados criterio de Mohr - Coulomb Fuente: Software RocData 3.0

34

Fig ura 20: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 Fuente: Software RocData 3.0

35

Fig ura 21: Gráfica de resumen y esfuerzo normal vs tensión de corte Fuente: Software RocData 3.0

c. Criterio de Barton Bandis Para usar este criterio necesitaremos los siguientes datos:

   ℎ 

: Ángulo de fricción básico

= 32°

: Resistencia la compresión simple

= 43.75

: Rugosidad de la discontinuidad

= 15

: Altura del túnel

= 500 m

: Peso específico de la roca

= 0.02795 MN/m3

36

Fig ura 22: Ingreso de la data y resultados del análisis criterio de Barton Bandis Fuente: Software RocData 3.0

Fig ura 23: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 criterio de Barton Bandis Fuente: Software RocData 3.0

37

Fig ura 24: Gráfica de resumen y esfuerzo normal vs tensión de corte para el criterio de Barton Bandis

Fuente: Software RocData 3.0

5.2. Estimación de los parámetros del macizo rocoso del Caso II a. Criterio de Falla de Hoek and Brown

Serán necesarios contar con datos adicionales:

ℎ  

: Altura del túnel

= 400 m


= 0.02893 MN/m3

: Factor de disturbancia

= 0.5

38

Para el empleo de este medio y para este caso el CGI nos está proporcionando los ensayos triaxiales realizados en laboratorio: Datos de ensayos de laboratorio Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 3 ( ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 1 ( 25.1663 30.8566 35.0410 39.5449 42.1045 46.0510 48.7438 53.1259 55.4477 59.3829 62.8403 63.1790 68.6905 70.1557 73.8122 76.0938 79.0544 80.9217 83.2997 85.7659

Tabla N° 07 : representación de los esfuerzos principales Fuente: CGI

39

Fig ura 25: ingreso de datos tomados en laboratorio de esfuerzos principales Fuente: elaboración propia

Fig ura 26: Datos calculados e ingresados(Sigci, GSI, mi, son calculados automáticamente con los esfuerzos)


40

Fig ura 27 : Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 Fuente: Software RocData 3.0

41


b. Criterio de Falla de Mohr – Coulomb Al igual que en el caso anterior solo necesitaremos algunos datos

ℎ 

: Altura del túnel

= 400 m


= 0.02893 MN/m3

Para el empleo de este medio y para este caso el CGI nos está proporcionando los ensayos triaxiales realizados en laboratorio: 42

Datos de ensayos de laboratorio Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 3 ( ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



Sigma 1 ( 25.1663 30.8566 35.0410 39.5449 42.1045 46.0510 48.7438 53.1259 55.4477 59.3829 62.8403 63.1790 68.6905 70.1557 73.8122 76.0938 79.0544 80.9217 83.2997 85.7659

Tabla N° 08: representación de los esfuerzos principales Fuente: CGI

Fig ura 29: Datos calculados e ingresados (c, phi, Sig, son calculados automáticamente con los esfuerzos)


43

Fig ura 30: Datos calculados e ingresados Fuente: Software RocData 3.0

Fig ura 31: Relación de esfuerzos principales sima 1 y sigma 3 Fuente: Software RocData 3.0

44


45

6. RESULTADOS Los resultados obtenidos de cada criterio las podemos mencionar de la siguiente manera:

6.1. CASO I a. Criterio de Falla de Hoek and Brown De los datos proporcionados Sigci : Resistencia a la compresión simple

= 95Mpa

GSI

: Índice de Resistencia Geológica

= 55

Mi

: constante de roca intacta

= 29

D

: Perturvación de la roca

=0


= 0.02795 MN/m3



De la muestra en mano que se estimó se realizó el efecto escala para una profundidad de 500 m obteniendo los siguientes resultados

Ajustes de Morh Coulomb C

: Cohesión

: 3.002Mpa

Phi

: ángulo de fricción

: 51.30°

Parámetros del maciso Rocoso Sigt

: Resistencia a la tracción

: -0.110Mpa

Sigc

: resistencia a la compresión uniaxial

: 7.642Mpa

Sigcm : fuerza global

: 30.705Mpa

Em

:12997.56Mpa

: módulo de Young

b. Criterio de Falla de Mohr - Coulomb

46

De los datos proporcionados c

: coeficiente de cohesión

= 25.25 Mpa

phi


= 51.30

Sigt

: Resistencia a la tracción/tangencil

: -0.65Mpa

De la muestra en mano que se estimó se realizó el efecto escala para una profundidad de 500 m obteniendo los siguientes resultados

Criterio de Mohr y Coulomb Sigc

3 ℎ

: resistencia a la compresión uniaxial

: 91.1 Mpa

: Esfuerzo menor máximo

: 7.3502 Mpa

: ángulo de parámetro de fuerza

: 72.92°

c. Criterio de Falla de Barton Bandis Para usar este criterio necesitaremos los siguientes datos:

   

: Ángulo de fricción básico

= 32°

: Resistencia la compresión simple

= 43.75

: Rugosidad de la discontinuidad : Peso específico de la roca

= 15 = 0.02795 MN/m3

De la muestra en mano que se estimó se realizó el efecto escala para una profundidad de 500 m obteniendo los siguientes resultados c

: coeficiente de cohesión

= 0.965 Mpa

phi


= 38.86

47

Fig ura 33: criterio de Hoek Y Brown Fuente: Software RocData 3.0

48

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El empleo del Software RocData como herramienta para estimar valor es muy importante para estimar algunas de las propiedades mecánicas del macizo rocoso a cierta profundidad; además nos ayuda a tomar decisiones, las más acertadas. En el túnel principal sur Nv. 500 hay presencia de granodiorita; un tipo de roca plutónica; el cual representa una estabilidad mayor; a comparación del túnel de acceso Tunel Sur Nv. 400 el cual por las condiciones de roca se tuvo un tipo de calidad de macizo luego de la voladura de tipo regular. Recomendamos un mayor estudio de este software y revisión de más literatura para un mejor entendimiento del tema; y así hacer nuestras evaluaciones del macizo roco con más exactitud. De igual manera aplicarlo a desprendimiento de rocas en taludes como a nivel subterráneo.

49

BIBLIOGRAFÍA 

Hernan Gavilanes L., Byron Andrade Haro (2004). Introducción a la Ingeniería de Túneles., 2004. Quito - Ecuador: Editorial AIME.



E. Hoek / E.T. Brow. (1980). Excavaciones Subterraneas. U.S.A. Editorial: McGraw-Hill.



Luis L. Gonzales de vallejo y Luis Ortuño, Carlos Oteo (2004). Ingeniería Geológica. Madrid España. Editorial Person Prentice Hall.



Criterio de Rotura de Hoek y Brown. Edición 2002. Publicación Rocsiencie 2002 Consulting Engineer, University of Minesota Rocsiencie Inc.



Guillermo Rodríguez C. (2018), Modulo 2 RocData, Centro Geotécnico Internacional. Lima – Perú.

50

ANEXOS a. Caso I: Estimación de los parámetros del macizo rocoso 

A nexo N° 01 : Criterio de Hoek and Brown



A nexo N° 02 : Criterio de Mohr Coulomb



A nexo N° 03 : Criterio de Barton Bandis

b. Caso II Estimación de los parámetros del macizo rocoso 





51


52


53

A nexo N° 03 : Criterio de Barton Bandis

54


55

ITSCVO SOFTWARE ROCDATA - Fernando CHAVEZ JAVIER.pdf

Recommend Documents