UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
ASIGNATURA: ASIGNATURA: TUNELERIA TEMA: MECANICA DE ROCAS EN TUNELES DOCENTE: ING. JAIME GUEVARA RIOS INTEGRANTES:
CHOQUENEYRA ESPERILLA LELIS EDILBERTO HUAÑAHUI HUAMANI SILVIO
HAQUIRA – APURIMAC PERU 2017
122342 131250
INDICE INTRODUCCION…………………………………………………………………….03
INGENIERIA DE LA CLASIFICACION DE MACIZOS ROCOSOS …………… 04 CLASIFICACIONES PRELIMINARES……………………………………………..05 CLASIFICACIONES ANTIGUAS…………………………………………………...05 CLASIFICACION DE TERZAGHI ………………………………………………….05 CLASIFICACION DE LAUFFER ……………………………………………………06 CLASIFICACIONES MODERNAS …………………………………………………07 INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA (RQD) ……………………………………… 07 CLASIFICACION DE BIENIASWKI (RMR)………………………….……………09 INDICE DE Q………………………………………………………………………… 12 CORRELACION ENTRE RMR Y Q ……………………………………………… ..15 CLASIFICACION DE GSI (GEOLOGICAL STRENGH INDEX) ………………...15 TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO …………………………………………. 17 Estado de esfuerzos ………………………………………………………………… 17 Comportamiento de las rocas a compresión…………………………………… ..20 Ensayo de carga puntual (ensayo de franklin) ……………………………… ...…21 Ensayo triaxial ………………………………………………………………… ...…..22 CRITERIOS DE ROTURA………………………………………………………… .23 Criterio de rotura de Mohs-Coulomb ………………………………………………23 Criterio de rotura de Hooke Brown…………………………….............................25
INTRODUCCION
Las clasificaciones geomecánicas determinan la sistemática del diseño empírico en la ingeniería de rocas y relacionan la práctica en diferentes proyectos con las condiciones existentes en determinado sitio. La actualización de las clasificaciones ha crecido de tal manera que ahora no solo se circunscribe a túneles, sino también a taludes, cimentaciones, minería, etc. Debido a su proximidad con la realidad y a las ventajas que tiene con otros métodos utilizados. El propósito de la clasificación es proporcionar un índice numérico que nos indica la calidad del macizo rocoso, para luego recomendar el sostenimiento más adecuado. Es importante mencionar que se debe realizar un seguimiento durante la excavación, ya que, los índices de calidad de macizo rocosos no son exactos, y por lo tanto, necesitan un monitoreo que nos permita asegurar la estabilidad de la excavación; para esto podemos combinar alguno de los métodos que mencionan a continuación. En la actualidad, los procedimientos para realizar el diseño estable de una cavidad subterránea o de una cantera, se circunscriben principalmente a los métodos analíticos, geológicos y geomecánicos. Analíticos: utilizan programas de ordenador; son complejos y costosos. Geológicos: muy utilizados, son de carácter cualitativo, pero necesitan otros complementos. Geomecánicos: son la más utilizada, económica, rápida y de fácil compresión. El objetivo de las clasificaciones geomecánicas es evaluar las propiedades de un macizo rocoso, establecer su calidad cuantitativamente y poder predecir de alguna manera la siguiente. a) El comportamiento del macizo rocoso frente a la excavación programada. b) El tipo de sostenimiento. c) Y obtener de manera aproximada (empírica) el rango de variación de propiedades geotécnicas del macizo rocoso como son el ángulo de fricción interna y la cohesión.
INGE NIERIA DE LA CLAS IFICACION DE MACIZOS R OCOSOS
Las clasificaciones de macizos rocosos forman la columna vertebral del diseño empírico aproximado y son ampliamente utilizados en los proyectos de ingeniería. De hecho, en muchos proyectos, la clasificación aproximada de un macizo sirve como la única base practica para el diseño de complejas estructuras subterráneas. La mayoría de los túneles ahora construidos hacen uso de un sistema de clasificación. Estos sistemas toman conocimientos de los nuevos avances en la tecnología de sostenimientos, como son los pernos de anclaje y el hormigón lanzado, y se considera diferentes proyectos de ingeniería tales como túneles, cámaras, minas, taludes y cimentaciones. De los tantos sistemas de clasificación en existencia, siete requieren una especial atención debido a que son los más utilizados y tienen una relevancia histórica, estos son; Terzaghi (1946), Lauffer (1958), Deere (1967), Wickham (1972), Bieniaswski (1973), Barton (1975), y Laubscher (1977), la información presentada en este capítulo , esta principalmente basada en el trabajo de Bieniaswski.
CLASIFICACIONES PRELIMINARES CLAS IFICACIONES ANTIGUAS CLAS IFICACION DE TER ZAG HI
Enfatiza que este método es apropiado para el propósito para el cual fue diseñado, esto es, para la estimación de cargas para los marcos de acero, y por tanto, no es adecuado para los métodos modernos de túneles usando hormigón lanzado y pernos de anclaje. Terzaghi hace hincapié sobre la importancia de hacer exploración geológica antes de que se termina el diseño, y sobre todo, insiste en conseguir información sobre los defectos en la formación de la roca, ya que, el defecto de la roca y su intensidad, puede resultar más importante que el tipo de roca se pueda encontrar. Al construir un túnel o una excavación, se rompe el equilibrio del macizo rocoso y ese produce un relajamiento de la cohesión de las rocas circundantes a la excavación, las cuales tenderán a irrumpir al túnel. A este movimiento, se oponen las fuerzas de fricción de los límites laterales de la roca circundante a la excavación, y transfieren la parte más importante del peso de la carga de la roca W1 al material de los lados del túnel. El techo y los lados del túnel soportan el resto de la carga que equivale a una altura Hp. El ancho B1 de la zona de la roca donde existe el movimiento, dependerá de las características de la roca y de las dimensiones Ht y B del túnel. El concepto de terzaghi para estimar la carga transmitida a los marcos de acero para el sostenimiento de un túnel, se ilustra en la siguiente figura y tabla.
CLAS IFICACION DE LAUFFER
Lauffer llamo la atención sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo del túnel. El tiempo de sostén es el lapso durante el cual una excavación será capaz de mantenerse abierta sin sostenimiento, mientras que el claro activo es el espacio sin sostenimiento más grande en el túnel entre el frente y los sostenimientos, como se ilustra en la siguiente figura.
Se debe tener en cuenta que varios factores pueden afectar el tiempo de sostén de un claro activo, tales como la orientación del eje del túnel, la forma de la sección, el método de excavación y el tipo de sostenimiento. El significado más importante de la clasificación de Lauffer es que un incremento en el claro activo llevara a una reducción mayor del tiempo de sostén. Esto significa por ejemplo, que mientras un túnel piloto como claro pequeño `puede ser construido a toda su sección en una roca de tipo regular, un claro más grande de roca imposibilitara el sostenimiento en función del tiempo de sostén.
CLAS IFICACIONES MODER NAS INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA (RQD)
El RQD es una modificación del porcentaje de núcleos de recuperación, el cual solo incorpora las piezas sanas de los núcleos que tienen una longitud igual o mayor a 100mm (4 pulgadas) este índice cuantitativo ha sido ampliamente utilizado como un indicativo para identificar zonas de mala calidad de roca, las mismas que necesitan un gran escrutinio y aburridos estudios adicionales en trabajos de exploración. Para la determinación del RQD la ISRM recomienda recuperar los núcleos con una perforadora de diamante de doble barril con un diámetro no menor al NX (54.7 mm) la siguiente relación entre el RQD y a la calidad de la roca fue propuesta por Deere (1968).
DEFINICION DEL S ISTEMA
Se debe indicar que los porcentajes del RQD incluyen solo las piezas sanas de los núcleos con longitudes mayores o iguales a 100mm, los que son sumados y divididos para la longitud total del muestreo que se realiza. En tal virtud, las piezas de los núcleos que no son duras y sanas no deben ser tomadas en cuenta aunque estas cumplan con el requisito de longitud. De esta manera, rocas altamente meteorizadas tendrán el valor del RQD igual a cero.
El RQD es un parámetro dependiente de la dirección de la perforación y puede cambiar significativamente dependiendo de la orientación del sondaje. Es importante la orientación de las fracturas con respecto al núcleo así , si un sondeo de diámetro BXM ( 42 mm ) es perforado perpendicularmente a discontinuidades espaciadas cada 90 mm, el RQD será de 0%. Si el sondeo es perforado con inclinación de 40º, el espaciado de las mismas discontinuidades es de 137 mm, entonces sobre esta base, el RQD será el 100%. Ya que esto obviamente es incorrecto, es muy importante que los cilindros de núcleos (núcleos sanos) excedan los 100 mm de longitud. CORRELACIONES
Cuando no se dispone de núcleos de perforación, el RQD puede ser estimado a partir de una línea o de un área de mapeo, como se describe a continuación: Para una línea de mapeo, se puede obtener el promedio del espaciado de las discontinuidades (número de discontinuidades dividida para la longitud de la línea de muestreo) el RQD obtenido de esta manera se puede calcular con la siguiente ecuación:
Donde: : 1/(frecuencia de discontinuidades) Para un área de mapeo, Palmstrom (1982) sugirió que el RQD puede ser estimado a partir del número de discontinuidades por unidad de volumen, en el cual el número de discontinuidades por metro para cada familia es sumado. Este parámetro puede ser utilizado en afloramientos y túneles. La fórmula se expresa de la siguiente forma:
Dónde: Jv: representa el número total de discontinuidades por metro cubico y es igual a:
Dónde: S : espaciado de las discontinuidades en metros para el sistema de discontinuidades actual En la determinación del RQD en superficies rocosas la línea de muestreo debe ser equiparada a la de un sondeo con obtención de núcleos y tomando en cuenta lo siguiente:
-
Experiencia en la determinación del RQD de núcleos Que las fracturas no deben confundirse con la ocasionadas por voladuras Que los planos de estratificación más débiles no necesariamente se rompen cuando son muestreados. Analizar las paredes opuestas cuando una diaclasa se forma en el techo. Que las zonas de cizalla de más de un metro de espesor deben ser clasificados separadamente.
CLAS IFICACION DE B IENIASWKI (RMR)
Más conocido también como clasificación geo mecánica RMR, fue desarrollado por Bieniawski durante 1972 y 1973. Fue modificado años más tarde de acuerdo con los casos históricos llegaron a estar disponibles y conforme a los estándares y procedimientos internacionales. En los pasados 25 años, el RMR ha tenido éxito, pasando la prueba de beneficio y extensiones y aplicaciones por muchos autores en todas partes del mundo. Esta variedad de aplicaciones en una cantidad de 351 casos históricos, señalan la aceptación del sistema y su inherente facilidad de uso y su versatilidad en la práctica ingenieril, tales como tuneles,cámaras,minas,taludes y cimentaciones, empero es importante que la clasificación sea usado para lo que fue desarrollado no como respuesta para todos los trabajos de ingeniería. PR OCEDIMIENTO PAR A LA CLAS IFICACION
Los siguientes parámetros son usados para clasificar un macizo rocoso utilizado el sistema RMR: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Resistencia a la compresión simple de la roca Índice de la calidad de la roca Espaciamiento entre discontinuidades Condición de las discontinuidades Condición de las infiltraciones de agua Orientación de las discontinuidades
Parámetros de clas ific ación g eomecanica R MR
Correlación para la orientación de discontinuidades
Clasificación y calidad en relación al índice RMR
C orrecciones s eg ún la ori entación de la obra / dis continuidad
C las ificación del macizo rocos o
INDICE DE Q
Fue desarrollado en Noruega en 1974 por Barton y Lunde, todos del instituto técnico de Noruega. Su desarrollo represento una mayor contribución al tema de clasificación de macizos rocosos por las siguientes razones: 1. El sistema fue propuesto con base en el análisis de 212 casos históricos de túneles en Escandinavia. 2. Es un sistema de clasificación cuantitativo. 3. Es un sistema ingenieril que facilita el diseño de sostenimiento para túneles. Definic ión del sis tema
En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de calidad Q basándose en 6 parámetros: 1. RQD – índice de calidad de la roca 2. Jn - número de familias de discontinuidades 3. Jr - rugosidad de las discontinuidades. El valor del `parámetro Jr también depende de la presencia de relleno y del tamaño de las discontinuidades 4. Ja - meteorización de las discontinuidades 5. Jw - coeficiente reductor que tiene en cuenta la presencia de agua 6. SRF - “Stress Reduction Factor” factor de reducción dependiente de las tensiones Estos 6 parámetros son agrupados en tres cocientes para dar en conjunto la calidad del macizo rocoso Q como sigue:
La calidad de la roca puede tener un rango que va de Q = 0,001 a Q = 1000 en una escala logarítmica, teniendo las siguientes categorías de macizos rocosos: Clasificación de la roca de acuerdo con el índice de calidad Q
Parámetro de clas ificación g eomecánica Q (B arton, 2000)
El índice Q relaciona, conjuntamente con un nuevo parámetro que propone Barton, el sostenimiento a emplear. Para ello es necesario la dimensión equivalente, que resulta del cociente entre la dimensión mayor (pase excavado o altura) y el ESR, que se definen en la siguiente tabla:
CORRE LACION ENTRE RMR Y Q
Dada la implantación que tienen hoy en día los sistemas de clasificación de macizos rocosos RMR y Q, y su aplicación en gran cantidad de obras subterráneas con variadas condiciones de litologías, calidad de roca, dimensiones o profundidad, se desarrollaron formulas comparativas de ambas clasificaciones. El sistema desarrollado por Barton parece más completo, pero cabe decir que la orientación y el buzamiento de las discontinuidades no se tienen tan en cuenta el sistema RMR. Desde su desarrollo en la década de los años 70, diferentes autores, en base a sus experiencias y estudios, desarrollaron comparativas de las dos clasificaciones: RMR = 9 Ln Q + 44 Bieniaswski (1976) RMR = 13.5 Ln Q + 43 Ruteledge RMR = 12.5 Ln Q + 55.2 Moreno RMR = 10.53 Ln Q + 41.83 Abad RMR = 10 Ln Q + 50 Barton
CLAS IFICACION DE GS I (GE OLOGICA L STRE NGH INDEX)
Hooke desarrollo en 1992, el índice GSI como solución para poder estimar la simulación de resistencia que se produce en un macizo rocoso con diferentes condiciones geológicas. A diferencia de otras clasificaciones geomecánicas anteriores, el índice GSI, tiene como finalidad evaluar la resistencia del macizo rocoso cuando se utiliza el criterio de rotura de Hooke – Brown. Resulta necesario para poder calcular los parámetros m y s así poder estimar la resistencia del macizo rocoso. Para obtener el GSI, Hooke lo basa en función de las fracturas, alteración de las discontinuidades, tamaños de los bloques y la estructura geológica del macizo rocoso siendo de esta manera un índice esencialmente cualitativo. Debe tenerse en cuenta que cuando se determina el índice de GSI en un frente de excavación puede estar alterado por voladuras. Esta alteración debe tenerse en cuenta ya que altera las condiciones iniciales del macizo. Por eso se recomienda sobrevalorar el GSI para aproximarse a las condiciones iniciales.
Para poder obtener el GSI, el macizo rocoso debe tener un comportamiento isótropo, por eso se descarta su utilización en macizos donde la esquistosidad, por ejemplo, sea la característica determinante para calcular su resistencia. Igualmente en macizos poco fracturados, se descarta su utilización ya que su resistencia vendría determinada más por la resistencia de las discontinuidadesE xpone los cri terios para obtener el índice de G S I
TENSIONE S E N EL MAC IZO R OCOSO E s tado de es fuerzos
Introducirse en el estudio de los esfuerzos o tensiones de un macizo rocoso obliga a un conocimiento previo de la definición de los conceptos teóricos que se van a utilizar. Por ello, a continuación se hace un breve resumen de algunos términos utilizados a lo largo de toda la investigación. ˗ Fuerza: es un vector definido por una magnitud y una dirección. Sus unidades son Newton. 1N= 1Kg·m·s-1 Si se considera un plano sobre el que se aplica una fuerza, esta puede tener cualquier dirección con respecto al plano, pero si es perpendicular al mismo, recibe el nombre de fuerza normal, y si es paralela es fuerza tangencial, de corte o de cizalla. Esfuerzo: si una fuerza es referida al área A del plano sobre el que actúa se expresa como esfuerzo ( Fig. 1.1), que es un parámetro independiente del área ˗
de aplicación. Es un vector definido por:
Las unidades del esfuerzo son Kp/cm2, KN/m2, MPa…
Fuerza aplicada sobre un área
Un tensor es un operador vectorial lineal de N componentes. El número de componentes viene definido por la expresión: N = nm (1.2) Donde n es el número de dimensiones en el espacio y m es el orden del tensor. El esfuerzo, como cualquier otro vector, puede ser descompuesto en sus componentes normal y tangencial, σ n y τ. El estado de esfuerzos en un macizo
rocoso está definido por un tensor de segundo orden y su tensor de esfuerzos en un espacio 3D está definido por 9 componentes.
En cualquier punto se pueden encontrar 3 planos ortogonales entre si en los cuales los esfuerzos tangenciales τ son nulos, y a estos planos se les denomina planos principales y los esfuerzos normales que actúan sobre ellos se denominan esfuerzos principales σ 1, σ2 y σ3. Donde σ1 > σ2 > σ3.
Tensiones en tres dimensiones (González de Vallejo et al., 2002)
Si el cuerpo está en equilibrio, entonces no puede rotar y por tanto
=
τyz
τzy
y
τxz
=
τzx
=
τxy
τyx
, y se dice que el tensor es simétrico.
Pero si además el cuerpo se representa sobre los planos principales entonces τ=0 y el tensor queda:
La suma de los 3 esfuerzos principales se llama 1ª invariante del tensor de esfuerzos. Se llama invariante porque el valor es independiente de la elección del sistema de coordenadas: I1 = σ1 + σ2 + σ3 (1.6)
,
Otras 2 invariantes del tensor de esfuerzos son: I2 = - (σ2·σ3 + σ3·σ1 + σ1·σ2) (1.7) I3 = σ1·σ2·σ3
El estado de esfuerzos se representa a través de un elipsoide de tensiones en el siguiente Cuadro:
Elipsoide de tensiones (González de Vallejo et al., 2002).
Diferentes formas de elipsoides y el valor correspondiente de los esfuerzos.
Cada uno de estos estados puede ser simulado mediante ensayos de laboratorio. C omportamiento de las rocas a compres ión
Unos de los problemas más importantes de la mecánica de rocas consiste en determinar las propiedades mecánicas de estas cuando se hallan en un campo tensional compresivo en un campo tensional compresivo, lo cual se consigue principalmente mediante los ensayos de compresión simple y triaxial. Cuando se ejerce sobre una roca una tensión desviadora de compresión se obtienen resultados como los que se pueden ver en la figura.
Comportamiento de las rocas a compresión E ns ayo de compres ión s imple
Este ensayo sirve para determinar la resistencia a compresión uniaxial de una probeta cilíndrica de roca de altura entre el doble y el triple del diámetro. Normalmente estas probetas se obtienen a partir de testigos de sondeos. También se pueden obtener muestras a partir de bloques de roca mediante una sonda, en el laboratorio; la extracción de estos bloque se debe llevar acabo sin utilizar voladuras, ya que estas pueden genera nuevas microfisuras o aumentar las existentes.
E ns ayo de carg a puntual (ensayo de franklin)
El ensayo de carga puntual consiste en romper un trozo de roca entre dos puntas cónicas de acero endurecido. Las muestras que se colocan entre dichas puntas pueden ser de cualquier forma, pero es conveniente que su diámetro no sea inferior a unos 50 mm, ya que, como se ha indicado anteriormente, el volumen de la probeta influye n su resistencia. Los puntos de aplicación de la carga deben estar al menos a 0.7 D de cada uno de los bordes
De la probeta. La fuerza P necesaria para romper la muestra se puede obtener leyendo el manómetro de la bomba manual que produce la presión requerida para dicha rotura. El índice de la carga puntual se calcula de la siguiente forma:
Ensayo de carga puntual mediante la prensa de franklin La clasificación de las rocas según su resistencia a compresión uniaxial, propuesta por la sociedad internacional de mecánica de rocas (Brown, 1981), es la siguiente:
E ns ayo triaxial
Este ensayo es imprescindibles para estudiar la resistencia de las rocas sometidas a un estado triaxial, que es la situación en que se encuentran con mayor frecuencia en las obras de ingeniería. Aunque por el nombre del ensayo se podría suponer que la roca se somete a tres tensiones principales distintas, en realidad no es así. Lo que se realiza normalmente es un ensayo biaxial en el
cual las dos tensiones principales menores, es decir, esfuerzo2 y esfuerzo3 son iguales.
Esquema del ensayo de compresión triaxial
CR ITER IOS DE R OTUR A Un criterio de rotura es la relación entre tensiones que permite la resistencia de una roca sometida a un campo tensional. En general, los criterios de rotura se refieren a la resistencia de pico aunque también se pueden emplear para la resistencia residual. Los criterios de rotura más utilizados en mecánica de rocas son los de Mohr-Coulomb y Hoek Brown (1980). C riterio de rotura de Mohr-C oulomb
Este criterio postula que la resistencia de las rocas tiene dos componentes: cohesión, fricción, siendo esta última dependiente de la tensión efectiva normal sobre el plano de rotura. Según esta teoría la resistencia al corte que puede desarrollar una roca en un plano que forma un ángulo ᵦ con la tensión principal menor esfuerzo 3,se puede expresar mediante la fórmula:
Si la roca está sometida a tracción en lugar a cortante, su resistencia estará determinada por el último resultado de los ensayos de tracción realizados en el laboratorio con probetas de la roca en cuestión.
Criterio de rotura de Mohr Coulomb Para representar el criterio de Mohr Coulomb hay que ajustar una recta que sea tangente a los círculos de rotura obtenidos mediante los ensayos triaxiales. Debido a que diversos factores, inherentes a las rocas y a los propios ensayos, introducen errores en los resultados de estos, el ajuste no suele tener una solución matemática exacta, ya que habrá círculos que serán cortados por la recta de Mohr Coulomb y otros que se aproximen a ella sin ser tangentes secantes.
C riterio de rotura de Hooke B rown
El criterio de Hooke Brown fue propuesto inicialmente para ser utilizado en el diseño de excavaciones subterráneas en macizos rocosos resistentes. Las propiedades de las rocas que se incluyen en el mismo cuando para determinar su resistencia en los ensayos de laboratorios, son las siguientes: -
Resistencia a la compresión simple Constante de material rocoso
Cuando se trata de macizos rocosos en lugar de rocas, a estos dos parámetros hay que añadir otros dos más, incluso un tercero cuando el macizo rocoso ha sido alterado por voladuras o por relajación tensional. Sobre estos tres parámetros suplementarios, se tratara cuando se estudien las propiedades mecánicas del macizo rocoso. La ecuación de Hook-Brown para los materiales rocosos o sea las probetas de laboratorio es la siguiente:
