CURSO
: Mecánica de Rocas II
DOCENTE : Ing. Carlos Huisa Cori TEMA
: Phase2 v7: Interacción de Esfuerzos y colocación de soportes
ALUMNO
: Agreda Ramírez, José
CÓDIGO
: 2012-36986
AÑO
: 4to “A”
TACNA-PERÚ 2016
ÍNDICE
Contenido INTRODUCCIÓN………………………………………………………… .………………………………… 2 FUNDAMENTO TEÓRICO: ……………………..……………………………………………………… 3 1. Interacción de los esfuerzos en la Roca………………………………… Roca…………………………………… …..……….…… 4 a. Esfuerzo………………………………………………………………………………… ...... 4 2. Túneles y Estabilidad de Roca…………………………………… ..………………………… . 5 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… . 5 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… . 6 TRABAJO ENCARGADO PHASE2…………………………………………………………………… . 7 1. TÚNEL CIMBRA 1.1. Preparación de la Excavación …………………………………………………………… 8 1.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 16 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 16 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 18 1.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 22 2. TÚNEL RECTANGULAR 2.1. Preparación de la Excavación ………………………………………………………… 25 2.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 28 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 28 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 30 2.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 32 3. TÚNEL CIRCULAR 3.1. Preparación de la Excavación ………………………………………………………… 36 3.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 39 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 39 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 42 3.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 45 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………… .. 49 RESULTADOS…………………………………………………………………………………………… .. 50
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ÍNDICE
Contenido INTRODUCCIÓN………………………………………………………… .………………………………… 2 FUNDAMENTO TEÓRICO: ……………………..……………………………………………………… 3 1. Interacción de los esfuerzos en la Roca………………………………… Roca…………………………………… …..……….…… 4 a. Esfuerzo………………………………………………………………………………… ...... 4 2. Túneles y Estabilidad de Roca…………………………………… ..………………………… . 5 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… . 5 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… . 6 TRABAJO ENCARGADO PHASE2…………………………………………………………………… . 7 1. TÚNEL CIMBRA 1.1. Preparación de la Excavación …………………………………………………………… 8 1.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 16 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 16 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 18 1.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 22 2. TÚNEL RECTANGULAR 2.1. Preparación de la Excavación ………………………………………………………… 25 2.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 28 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 28 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 30 2.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 32 3. TÚNEL CIRCULAR 3.1. Preparación de la Excavación ………………………………………………………… 36 3.2. Sostenimiento………………………………………………………………………………… 39 a. Pernos de Anclaje…………………………………………………………………… .. 39 b. Shotcrete………………………………………………………………………………… .. 42 3.3. Phase2 Analysis Information ………………………………………………………… .. 45 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………… .. 49 RESULTADOS…………………………………………………………………………………………… .. 50
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INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se detalla el procedimiento para determinar los diferentes esfuerzos de interacción en el macizo rocoso con la finalidad de otorgarle a una determinada labor un sostenimiento apropiado para la mitigación del grado de vulnerabilidad de la roca y así prevenir un colapso y futuros accidentes. Así mismo con dicho software se podrá buscar nuevos modos de sostenimiento en diferentes labores (rampas, galerías, túneles, etc.) Cabe destacar que dicho software puede trabajar con datos experimentales obtenidos en laboratorio y así poder tener resultados más creíbles y así determinar un tipo de sostenimiento que nos otorgue mayor estabilidad al momento de empezar el laboreo.
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PHASE2: INTERACCIÓN DE ESFUERZOS Y COLOCACIÓN DE SOPORTES
FUNDAMENTO TEÓRICO: 1. Interacción de esfuerzos en la Roca: Esfuerzo. - Es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie y es la expresión que se utiliza en Geología para referirse a la fuerza que ejerce, por ejemplo, una placa litosférica sobre otra en una zona de subducción. Pueden ser de dos tipos:
Esfuerzo (o presión) de confinamiento:
Es el derivado del peso de las rocas suprayacentes y actúa uniformemente en todas las direcciones. direcciones.
Esfuerzo (o presión) dirigido:
Es el derivado del empuje tectónico y es el responsable de la formación de las estructuras tectónicas: pliegues, fallas, cabalgamientos, cabalgamientos, etc. Los Esfuerzo dirigidos pueden ser de tres modos:
a) Compresión, es el más común, y produce una tendencia al acortamiento.
b) Tensión, causa el estiramiento o alargamiento de los materiales a los que afecta.
c) Cizalla, causa deslizamiento y traslación.
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Todas las rocas se comportan de la siguiente manera al sufrir esfuerzos:
2. Túneles y Estabilización de Roca: Cuando se hace una apertura en la roca, el estrato circundante invariablemente invariablemente se hace más inestable. inestable. El estrato se puede reforzar reforzar mediante varios métodos de soporte. El objetivo o propósito principal del soporte o refuerzo de roca es activar, conservar, y mejorar la fortaleza inherente del estrato y mantener su capacidad de sostener la carga.
Pernos de Anclaje: El empernado es un tipo de sostenimiento activo, en donde los pernos simulan grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca suelta.
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Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento. El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques por sostener. La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbo de las estructuras, previo un plano estructural, dibujados en cortes ó secciones. La longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la voladura.
Shotcrete:
El Shotcrete, hormigón proyectado, gunita o gunitado es un proceso por el cual el hormigón comprimido es proyectado a alta velocidad por medio de una manguera sobre una superficie, para conformar elementos estructurales y no estructurales en edificaciones. La mezcla que se utiliza para este tipo de hormigón es relativamente seca y se consolida por la fuerza del impacto, a la vez que desarrolla una fuerza de compresión similar al hormigón normal o al hormigón de alta resistencia dependiendo de la dosificación usada.
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TRABAJO ENCARGADO PHASE2
Características del Macizo Rocoso:
Nombre: Lutita
Color: Marrón
Peso específico: 0.024 MN/m3
Módulo de Young: 1581 MPa
Poisson: 0.30
Criterio Falla: Mohr-Coulomb
Esfuerzo de tensión: 0.018MPa
Cohesión: 0.309 MPa
Cohesión Residual: 0.309 MPa
Ángulo de fricción: 33°
Ángulo de fricción residual: 25°
Material: Plástico
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Características del Soporte:
I.
Shotcrete: 0.90 m
Módulo de Young: 1500MPa
Poisson: 0.18
Perno de anclaje: 38 mm
Módulo de Young: 200000 MPa
Carga de diseño: 0.10 MN
Carga residual: 0.01 MN
Separación sobre el eje del túnel: 1m
Separación sobre el perímetro de la sección: 1m
TÚNEL CIMBRA 1. PREPARACIÓN DE EXCAVACIÓN Paso 1: Identificación del proyecto y p onerle un nombre al proyecto y presionar OK.
Analysis/Project Settings
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Paso 2: Importar o dibujar el modelo del proyecto, en este caso introduciremos coordenadas para dibujar.
Click -> Boundaries/Add excavation
Coordenadas: (-5,10); (-5,0); (5,0); (5,10) Luego escribir -> a + Enter/ (0,15) / c + Enter
Paso 3: Definir el límite externo
Click -> Boundaries/Add external-> Expansion Factor = 1/OK
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Paso 4: Discretizamos
Click -> Mesh / Discretize
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Paso 5: Empezamos a crear malla de elementos finitos
Click -> Mesh /Mesh
Paso 6: Definimos los esfuerzos de campo e ingresamos sus valores
Loading -> Field Stress -> Llenar tabla de datos σ1 = 150 MPa σ3 = 10 MPa σz = 5 MPa ángulo = 25°
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Paso 7: Definimos las propiedades de los materiales que se encuentran alrededor de la excavación.
Click -> Properties / Define materials -> llenar tabla
Paso 8: Asignación de propiedades
Click -> Properties / Assign properties / Excavate
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Paso 9: Computamos
Click -> Analysis / Compute -> Sí -> Guardar
Paso 10: Interpretamos
Click -> Analysis / Interpret
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14
Dimensiones:
15
2. SOSTENIMIENTO: 2.1. Pernos de Anclaje
Click -> Properties / Define Bolts
Procedemos a llenar las propiedades del Perno:
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Para agregar los pernos al contorno se presiona -> Support / Add Pattern Bolt :
Se procede a configurar la longitud y el espaciamiento de los pernos.
Colocamos los pernos en zonas afectadas
17
Computamos e interpretamos una vez más, luego revisamos el factor de seguridad.
2.2. Shotcrete
Click en -> Propierties / Define Liners
18
Se llena la tabla con los datos
Click en -> Support / Add Liner para agregar el shotcrete:
19
Computamos e interpretamos:
20
Se observa un cambio notable por lo que se podría decir que este método es más eficaz que los pernos para la gran dimensión del socavón.
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Phase2 Analysis Information CIMBRA - Méc. de Rocas II Project Summary
File Name: José Agreda Ramirez Last saved with Phase2 version: 8.005 Project Title: CIMBRA - Méc. de Rocas II
General Settings
Single stage model Analysis Type: Plane Strain Solver Type: Gaussian Elimination Units: Metric, stress as MPa
Analysis Options
Maximum Number of Iterations: 500 Tolerance: 0.001 Number of Load Steps: Automatic Convergence Type: Absolute Energy Tensile Failure: Reduces Shear Strength Joint tension reduces joint stiffness by a factor of 0.01
Groundwater Analysis
Method: Piezometric Lines Pore Fluid Unit Weight: 0.00981 MN/m3 Probability: None
Field Stress
Field stress: constant Sigma one: 150 MPa (compression positive) Sigma three: 10 MPa (compression positive) Sigma Z: 5 MPa (compression positive) Angle from the horizontal to sigma 1: 25 degrees (counter-clockwise)
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Mesh
Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles Number of elements: 597 Number of nodes: 357
Mesh Quality
All elements are of good quality
Poor quality elements defined as:
Side length ratio (maximum / minimum) > 30.00 Minimum interior angle < 2.0 degrees Maximum interior angle > 175.0 degrees
Material Properties Material: Lutita Color Initial element loading Unit weight Elastic type Young's modulus Poisson's ratio Failure criterion Peak tensile strength Residual tensile strength Peak friction angle Peak cohesion Material type Dilation Angle Residual Friction Angle Residual Cohesion Piezo to use Ru value
___ field stress & body force 0.024 MN/m3 isotropic 1581 MPa 0.3 Mohr-Coulomb 0.018 MPa 0 MPa 33 degrees 0.309 MPa Plastic 0 degrees 25 degrees 0.309 MPa None 0
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Liner Properties Liner: Shotcrete Color
___
Liner Type Standard Beam Formulation Timoshenko Thickness 0.09 m
Elastic Properties Young's modulus 15000 MPa Poisson's ratio 0.18
Bolt Properties Bolt name
Perno
Color
___
Bolt Type
End anchored bolt
Diameter
38 mm
Young's modulus
200000 MPa
Tensile capacity
0.1 MN
Residual Tensile capacity
0.01 MN
Pre-tensioning Pre-tensioning force
0 MN Constant in install stage
Out-of-plane spacing
1m
Displacements
Maximum total displacement: 0.874438 m
Yielded Elements Yielded Mesh Elements
Number of yielded mesh elements: 597
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II.
TÚNEL RECTANGULAR:
1. PREPARACIÓN DE EXCAVACIÓN Paso 1: Identificación del proyecto y ponerle un nombre al proyecto y presionar OK.
Click -> Analysis / Project Settings
Paso 2: Importar o dibujar el modelo del proyecto, en este caso introduciremos coordenadas para dibujar.
Click -> Boundaries / Add excavation
Coordenadas: (-8,10); (-3,0); (4,0); (-1,10), luego escribir -> c + Enter
Paso 3: Definir el límite externo
Click -> Boundaries/Add external -> Expansion Factor = 1/OK
Paso 4: Discretizamos
Click -> Mesh / Discretize
Paso 5: Empezamos a crear malla de elementos finitos
Click -> Mesh /Mesh
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Paso 6: Definimos los esfuerzos de campo e ingresamos sus valores
Loading -> Field Stress -> Llenar tabla de datos
σ1 = 150 MPa σ3 = 10 MPa σz = 5 MPa ángulo = 25°
Paso 7: Definimos las propiedades de los materiales que se encuentran alrededor de la excavación.
Click -> Properties / Define materials -> llenar tabla
Paso 8: Asignación de propiedades
Click -> Properties / Assign properties / Excavate
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Paso 9: Computamos
Click -> Analysis / Compute -> Sí -> Guardar
Paso 10: Interpretamos
Click -> Analysis / Interpret
27
Dimensiones:
2. SOSTENIMIENTO: 2.1.
Pernos de Anclaje
Click -> Properties / Define Bolts
Procedemos a llenar las propiedades del Perno:
Para agregar los pernos al contorno se presiona -> Support / Add Bolt Pattern
Se procede a configurar la longitud y el espaciamiento de los pernos.
Colocamos los pernos en zonas afectadas.
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Computamos e interpretamos una vez más, luego revisamos el factor de seguridad.
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2.2.
Shotcrete
Click en -> Propierties / Define Liners
Se llena la tabla con los datos del Shotcrete.
Click en -> Support / Add Liner para agregar el shotcrete:
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Computamos e interpretamos:
Se observa un ligero cambio por lo que se podría decir que ambos métodos tienen casi la misma eficiencia de sostenimiento para la gran dimensión y forma del socavón.
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Phase2 Analysis Information Rectangular - Méc.Rocas II Project Summary
File Name: José Agreda Ramirez Last saved with Phase2 version: 8.005 Project Title: Rectangular - Méc.Rocas II
General Settings
Single stage model Analysis Type: Plane Strain Solver Type: Gaussian Elimination Units: Metric, stress as MPa
Analysis Options
Maximum Number of Iterations: 500 Tolerance: 0.001 Number of Load Steps: Automatic Convergence Type: Absolute Energy Tensile Failure: Reduces Shear Strength Joint tension reduces joint stiffness by a factor of 0.01
Groundwater Analysis
Method: Piezometric Lines Pore Fluid Unit Weight: 0.00981 MN/m3 Probability: None
Field Stress
Field stress: constant Sigma one: 150 MPa (compression positive) Sigma three: 10 MPa (compression positive)
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Sigma Z: 5 MPa (compression positive) Angle from the horizontal to sigma 1: 25 degrees (counter-clockwise)
Mesh
Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles Number of elements: 678 Number of nodes: 395
Mesh Quality
All elements are of good quality
Poor quality elements defined as:
Side length ratio (maximum / minimum) > 30.00
Minimum interior angle < 2.0 degrees
Maximum interior angle > 175.0 degrees
Excavation Areas
Original Un-deformed Areas
Excavation Area: 70.000 m2 Excavation Perimeter: 36.361 m External Boundary Area: 960.000 m2 External Boundary Perimeter: 124.000 m
Stage 1
Excavation Area: 44.441 m2 (-25.5589 m2 change from original area) Excavation Perimeter: 36.073 m (-0.288053 m change from original perimeter) External Boundary Area: 960.000 m2 (0 m2 change from original area) External Boundary Perimeter: 124.000 m (0 m change from original perimeter) Volume Loss to Excavation: 0 %
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Material Properties Material Lutita Color
___
Initial element loading field stress & body force Unit weight 0.024 MN/m3 Elastic type isotropic Young's modulus 1581 MPa Poisson's ratio 0.3 Failure criterion Mohr-Coulomb Peak tensile strength 0.018 MPa Residual tensile strength 0 MPa Peak friction angle 33 degrees Peak cohesion 0.309 MPa Material type Plastic Dilation Angle 0 degrees Residual Friction Angle 25 degrees Residual Cohesion 0.309 MPa Piezo to use None Ru value 0
Liner Properties Liner: Shotcrete
Color
___
Liner Type Standard Beam Formulation Timoshenko Thickness 0.09 m Elastic Properties Young's modulus 15000 MPa Poisson's ratio 0.18
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Bolt Properties
Bolt name
Perno
Color
___
Bolt Type
End anchored bolt
Diameter
38 mm
Young's modulus
200000 MPa
Tensile capacity
0.1 MN
Residual Tensile capacity
0.01 MN
Pre-tensioning Pre-tensioning force
0 MN Constant in install stage
Out-of-plane spacing
1m
Displacements
Maximum total displacement: 1.12395 m
Yielded Elements Yielded Mesh Elements
Number of yielded mesh elements: 678
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III.
TÚNEL CIRCULAR: 1. PREPARACIÓN DE EXCAVACIÓN Paso 1: Identificación del proyecto y ponerle un nombre al proyecto y presionar OK.
Click -> Analysis / Project Settings
Paso 2: Importar o dibujar el modelo del proyecto, en este caso introduciremos coordenadas para dibujar. Click -> Boundaries / Add excavation Coordenadas: (-2,2); (a); (0,0); (2,2); (a); (0,4), luego escribir -> c + Enter.
Paso 3: Definir el límite externo
Click -> Boundaries/Add external -> Expansion Factor = 1/OK
Paso 4: Discretizamos
Click -> Mesh / Discretize
Paso 5: Empezamos a crear malla de elementos finitos
Click -> Mesh /Mesh
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Paso 6: Definimos los esfuerzos de campo e ingresamos sus valores
Loading -> Field Stress -> Llenar tabla de datos
σ1 = 150 MPa σ3 = 10 MPa σz = 5 MPa ángulo = 25°
Paso 7: Definimos las propiedades de los materiales que se encuentran alrededor de la excavación.
Click -> Properties / Define materials -> llenar tabla
37
Paso 8: Asignación de propiedades
Click -> Properties / Assign properties / Excavate
Paso 9: Computamos
Click -> Analysis / Compute -> Sí -> Guardar
Paso 10: Interpretamos
Click -> Analysis / Interpret
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Dimensiones:
2. Sostenimiento: 2.1.
Pernos de Anclaje
Click -> Properties / Define Bolts
Procedemos a llenar las propiedades del Perno:
Para agregar los pernos al contorno se presiona -> Support / Add Bolt Pattern
Se procede a configurar la longitud y el espaciamiento de los pernos.
Colocamos los pernos en zonas afectadas.
39
Computamos e interpretamos una vez más.
40
Revisamos el factor de seguridad
41
2.2.
Shotcrete
Click en -> Propierties / Define Liners
Se llena la tabla con los datos del Shotcrete.
Click en -> Support / Add Liner para agregar el shotcrete:
Computamos e interpretamos:
42
Se observa una diferencia considerable en la deformación, por lo que se podría decir que el método de sostenimiento con Shotcrete es más eficiente q los pernos de anclaje debido a la forma geométrica y dimensión del socavón.
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Combinando ambos métodos de sostenimiento (Shotcrete + Pernos de anclaje).
Al combiner ambos métodos de sostenimiento no se aprecia ninguna diferencia considerable con respecto al método anterior (Shotcrete), por lo que deducimos que los pernos de anclaje no aportan mucho al sostenimiento de la labor ya sea por el tipo de roca, como de la forma y dimensiones del socavón.
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Phase2 Analysis Information Circular - Méc. Rocas II Project Summar
File Name: José Agreda Ramirez Last saved with Phase2 version: 8.005 Project Title: Circular - Méc. Rocas II
General Settings
Single stage model Analysis Type: Plane Strain Solver Type: Gaussian Elimination Units: Metric, stress as MPa
Analysis Options
Maximum Number of Iterations: 500 Tolerance: 0.001 Number of Load Steps: Automatic Convergence Type: Absolute Energy Tensile Failure: Reduces Shear Strength Joint tension reduces joint stiffness by a factor of 0.01
Groundwater Analysis
Method: Piezometric Lines Pore Fluid Unit Weight: 0.00981 MN/m3 Probability: None
Field Stress
Field stress: constant Sigma one: 150 MPa (compression positive) Sigma three: 10 MPa (compression positive)
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Sigma Z: 5 MPa (compression positive) Angle from the horizontal to sigma 1: 25 degrees (counter-clockwise)
Mesh
Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles Number of elements: 836 Number of nodes: 476
Mesh Quality
All elements are of good quality
Poor quality elements defined as:
Side length ratio (maximum / minimum) > 30.00 Minimum interior angle < 2.0 degrees Maximum interior angle > 175.0 degrees
Excavation Areas
Original Un-deormed Areas
Excavation Area: 12.553 m2 Excavation Perimeter: 12.563 m External Boundary Area: 144.000 m2 External Boundary Perimeter: 48.000 m
Stage 1
Excavation Area: 10.374 m2 (-2.17945 m2 change from original area) Excavation Perimeter: 11.503 m (-1.05978 m change from original perimeter) External Boundary Area: 144.000 m2 (0 m2 change from original area) External Boundary Perimeter: 48.000 m (0 m change from original perimeter) Volume Loss to Excavation: 0 %
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Material Properties
Material: Lutita Color Initial element loading Unit weight Elastic type Young's modulus
___ field stress & body force 0.024 MN/m3 isotropic 1581 MPa
Poisson's ratio Failure criterion Peak tensile strength Residual tensile strength Peak friction angle Peak cohesion Material type Dilation Angle Residual Friction Angle Residual Cohesion Piezo to use Ru value
0.3 Mohr-Coulomb 0.018 MPa 0 MPa 33 degrees 0.309 MPa Plastic 0 degrees 25 degrees 0.309 MPa None 0
Liner Properties
Liner: Shotcrete Color
___
Liner Type Standard Beam Formulation Timoshenko Thickness 0.09 m Elastic Properties Young's modulus 15000 MPa Poisson's ratio 0.18
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Bolt Properties
Bolt name Color
Perno ___
Bolt Type End anchored bolt Diameter 38 mm Young's modulus 200000 MPa Tensile capacity 0.1 MN Residual Tensile capacity 0.01 MN Pre-tensioning 0 MN Pre-tensioning force Constant in install stage Out-of-plane spacing 1m
Displacements
Maximum total displacement: 0.445157 m
Yielded Elements
Yielded Mesh Elements
Number of yielded mesh elements: 836
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CONCLUSIONES
Con el Phase2 se puede identificar y determinación de zonas críticas con una mayor facilidad y así realizar una evaluación para comprobar que método de sostenimiento es el más apropiado en cierto tipo de roca.
Para conseguir estos diagramas en donde muestren estas zonas es necesario tener las características de la roca (indispensablemente como dato importante se tiene que saber si la roca es elástica o plástica en el caso de una arcilla), la dimensión del perno, la profundidad del shotcrete, etc. Dichas características pueden ser obtenidas teóricamente o también como datos de laboratorio (de hecho, es mejor este último).
Se aprecia que inicialmente al interpretar las excavaciones con el programa se mostraba zonas alteradas (visibles a como una gama de colores), pero luego de colocar el determinado sostenimiento (pernos y shotcrete), merman dichas zonas (no desaparecen por completo), dándonos a entender del aumento de estabilidad en la labor.
Como complemento en el programa podemos encontrar el botón de “Dato de análisis” en donde detalla los datos introducidos y calculados por el programa.
Para la lutita se puede observar que el método de shotcrete es más eficaz que el método con pernos de anclaje.
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