123988441 Fundamentos Basicos de Geomecanica PDF

FUNDAMENTOS BSICOS DE LA GEOMECNICA

GEOMECANICA MECANICA DE ROCAS

GEOTECNIA

RECONOCIMIENTO COMO CIENCIA: DECADA DE LOS 50

DEFINICIN: CIENCIA TEORICA Y APLICADA QUE TRATA SOBRE EL COMPORTAMIENTO MECNICO DE LA ROCA Y SU RESPUESTA A LOS ESFUERZOS APLICADOS EN SU ENTORNO FISICO.

(Comit de Mecnica de Rocas de la Acadmia de Ciencias de los Estados Unidos, 1964)

1er CONCEPTO DE FONDO

TODA ESTRUCTURA DE INGENIERA DESARROLLADA EN ROCAS, REQUIERE PARA SU ADECUADO DISEO Y EJECUCIN DE LA UTILIZACIN Y APLICACIN DIRECTA DE LOS PRINCIPIOS, METODOLOGAS Y APLICACIONES DIVERSAS DE LA MECNICA DE ROCAS , DESDE LA FASE DE INVESTIGACIN PRELIMINAR, ANLISIS, DISEO, EJECUCIN Y OPERACIN DE LA OBRA.

2do CONCEPTO DE FONDO

CUALQUIER EXCAVACIN PRACTICADA EN UN MEDIO ROCOSO, PRODUCE UN DESEQUILIBRIO EN EL MISMO; AL EXTRAER LOS MATERIALES, SE PRODUCE INEVITABLEMENTE LA ELIMINACIN DEL SOPORTE NATURAL DE LA MASA ROCOSA CIRCUNDANTE, DANDO LUGAR A LA ALTERACIN DE LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO, LOS EFECTOS PRODUCIDOS SE DEBEN CONOCER CON EL FIN DE RESTITUIR EL EQUILIBRIO Y ASEGURAR LA ESTABILIDAD.

ROCA :

MATERIAL ROCOSO DE VOLUMEN MENOR

SIN FRACTURAS

MACIZO ROCOSO:

MATERIAL ROCOSO DE MAYOR VOLUMEN

CON FRACTURAS, FALLAS, PLIEGUES, AGUA

Rock mass

PROPIEDADES FSICO-MECANICAS

RESISTENCIA A LA COMPRESIN ( Rc )

Rc = P / A , A = pD/4UNIDADES DE MEDIDA

( Kg/cm ) ( Ton/m ) ( PSI ) ( lb/pulg) ( bar ) ( Atm ) ( Mpa )

P(+)

P(+)

A


RESISTENCIA A LA TRACCIN ( Rt )

Rc = P / A , A = pD/4UNIDADES DE MEDIDA

( Kg/cm ) ( Ton/m ) ( PSI ) ( lb/pulg) ( bar ) ( Atm ) ( Mpa)

P(-)

P(-)

A


MODULO DE YOUNG (E) : Tendencia de deformacin en direccin axial del esfuerzo solicitante.

UNIDAD DE MEDIDA : ( Kg/cm )(Mpa)

MODULO DE POISSON (n) :Razn de deformacin ; deformacin radial entre la deformacin axial

UNIDAD DE MEDIDA : adimensional

E

v


COHESIN ( C ) : Resistencia cohesiva o resistencia a la cizalla

UNIDAD DE MEDIDA

( Kg/cm )(Mpa)

ANGULO DE FRICCIN INTERNA ( ) : Angulo de rozamiento interno

UNIDAD DE MEDIDA

( )

C

LAS PROBETAS (NUCLEOS O TESTIGOS)

DESTINADAS A ENSAYOS GEOMECNICOS

DEBEN TENER UNA RAZN LARGO A

DIMETRO IGUAL A 2, CON SUS DOS CARAS

BASALES PARALELAS Y PULIDAS, PARA

PERMITIR UNA DISTRIBUCIN UNIFORME DE

LA CARGA APLICADA.

(L / D) 2

ENSAYOS DE LABORATORIO

D

L

TESTIGOS O NUCLEOS DE ROCA



PROBETAS DE ROCA LISTAS PARA ENSAYO


ENSAYO DE COMPRESIN SIMPLE

EL ENSAYO CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA COMPRESIVA CONTINUA Y PAULATINAMENTE EN AUMENTO SOBRE LA PROBETA, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA.

Rc = P / A , A = pD/4SI LA RAZON L / D ES INFERIOR A 2 SE APLICA LA SIGUIENTE ECUACIN DE AJUSTE :

Rc = Rc / [0.88 + (0.24 * D/L)]


P(-)

P(-)

ENSAYO DE TRACCION

LA PROBETA ES ADHERIDA EN AMBOS EXTREMOS A BASES METLICAS MEDIANTE RESINA EXPOSICA.

EL ENSAYO CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA DE TRACCIN CONTINUA Y PAULATINAMENTE EN AUMENTO SOBRE LA PROBETA, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA.

Rt = P / A , A = pD/4

ENSAYOS DE LABORATORIO ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA

(ENSAYO BRASILERO)

CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA DE COMPRESIN A UNA MUESTRA CON FORMA DE DISCO, DE DIMETRO MAYOR O IGUAL A 54 mm. Y ESPESOR IGUAL A UN RADIO, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA POR ESFUERZOS DE TRACCIN PERPENDICULARES A LA DIRECCIN DE LA CARGA VERTICAL APLICADA.

Rt = 0.636 P / (D*T)DONDE:Rt : RESISTENCIA A LA TRACCIN INDIRECTA (Kg/cm2)P : CARGA DE RUPTURA (Kg)D : DIMETRO DEL DISCO DE ROCA (cm.)T : ESPESOR DEL DISCO DE ROCA (cm.)

PROBETA DE ROCA SOMETIDA A ENSAYO TRACCIN (BRASILEO)


ENSAYO DE PROPIEDADES ELSTICAS

(MDULO DE YOUNG Y MDULO DE POISSON)

SE UTILIZAN ESTAMPILLAS ELCTRICAS STRAIN GAGE COMO SENSORES DE LA DEFORMACIN AXIAL Y DIAMETRAL EXPERIMENTADA POR LA PROBETA BAJO COMPRESIN.

DURANTE EL ENSAYO SE REGISTRA LA CARGA DE COMPRESIN, LA DEFORMACIN AXIAL Y DIAMETRAL EXPERIMENTADA POR LA PROBETA AL SER COMPRIMIDA, MEDIANTE INCREMENTOS DE CARGA PREDETERMINADOS.


PROBETA DE ROCA SOMETIDA A ENSAYO PARA DETERMINACIN DE MDULOS DE DEFORMACIN YOUNG Y POISSON,

UTILIZANDO STRAIN-GAGE


CURVAS TIPICAS

ESFUERZO vs DEFORMACION

PARA ENSAYOS DE MODULO ELASTICO

CURVA

ESFUERZO - DEFORMACIN


CURVADEFORMACIN HORIZONTAL

VSDEFORMACIN VERTICAL



TESTIGOS DE GRAN DIMENSION PARA ENSAYOS A GRAN ESCALA

TIPOS DE ENSAYO:

1. DIAMETRAL

2. AXIAL

3. Irregular (Cbica)

4. Irregular (Bloque)

5. Irregular (Esferoidal)

DETERMINA LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN IN-SITU EN TESTIGOS Y/O MUESTRAS IRREGULARES

Ensayo de CARGA PUNTUAL (POINT LOAD)

PRINCIPIO DE CAUSA Y EFECTO

ACCION Y REACCIONMEDIO : MACIZO ROCOSO

CAUSA : ESFUERZO (NORMAL, CORTE)

(s , )EFECTO: DEFORMACION

(AXIAL, DE CORTE)

( , )

RELACIONES ESFUERZO - DEFORMACIONSI SUPONEMOS UN PARALELEPIPEDO RECTANGULAR CON SUS LADOS ORIENTADOS SEGN LOS EJES COORDENADOS, SOBRE EL CUAL ACTUA UN ESFUERZO NORMAL

EL EFECTO OBSERVADO ES UN ACORTAMIENTO EN LA DIRECCION DE LA APLICACIN DE LA CARGA (Z) Y A LA VEZ UNA EXPANSION EN LAS DIRECCIONES PERPENDICULARES A ELLA (X e Y)

EN MATERIALES ELASTICOS ESTAS RELACIONES ESTAN DETERMINADAS A TRAVES DE DOS COEFICIENTES YOUNG (E) y POISSON ( v )

Z = Z / EY = - v Z / EX = - v Z / E

SI EL PARALELEPIPEDO ESTUVIERA SOMETIDO A ESFUERZOS NORMALES EN LAS TRES

DIRECCIONES x , y ,z LAS DEFORMACIONES RESULTANTES PUEDEN OBTENERSE APLICANDO EL PRINCIPIO DE SUPERPOSICION:

X = 1 / E ( X - v ( Y + Z ) ) Y = 1 / E ( Y - v ( X + Z ) ) Z = 1 / E ( Z - v ( X + Y ) )

PARA EL CASO DE LAS DEFORMACIONES DE CORTE SE ACOSTUMBRA A RELACIONARLAS CON LOS ESFUERZOS DE CORTE RESPECTIVOS MEDIANTE UNA SOLA CONSTANTE DENOMINADA MODULO DE RIGIDEZ (G) G = E / ( 2 ( 1 + v ) )

DE ESTA FORMA LAS DEFORMACIONES DE CORTE QUEDAN DEFINIDAS DE LA SIGUIENTE FORMA:

xy = xy / G yz = yz / G zx = zx / G

ESFUERZO VERTICAL vs PROFUNDIDAD

RAZON DE ESFUERZOS HORIZONTAL / VERTICAL SEGN LA PROFUNDIDAD

CURVA DE ESFUERZOS TECTONICOS EN LOS ANDES

CONDICION ESTRUCTURAL

CONTACTOS

FRACTURAS

FALLAS

1 SISTEMA DE ESTRUCTURAS

2 SISTEMAS DE ESTRUCTURAS

3 SISTEMAS DE ESTRUCTURAS

BLOQUE TIPICO EN INFRAESTRUCTURA MINERA

MAPEO ESTRUCTURAL DE CAMPO

DETERMINACION DE RUMBO E

INCLINACION DE FRACTURAS

ANALISIS DE ESTRUCTURAS EN

BASE A PROYECCIONES

ESTEREOGRAFICAS

PLANO ECUATORIAL VISTO DESDE

ABAJO

PROYECCION DE UNA ESTRUCTURAORIENTACION: N 30 E / 40 SE

REPRESENTACION DE POLOS SOFTWARE DIPS

DISTRIBUCION DE LAS TENDENCIAS PRINCIPALES

DIRECCION Y BUZAMIENTO DE LAS FAMILIAS PRINCIPALES

DIRECCION DE LAS FAMILIAS PRINCIPALES MEDIANTE UNA ROSETA ESTRUCTURAL

CLASIFICACIONES GEOMECANICAS

SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE CALIDAD DE ROCA

G

S

I

CLASIFICACIN R.Q.D.

EL GELOGO NORTEAMERICANO D. DEERE,QUE DESARROLLABA SU TRABAJO PROFESIONAL EN EL MBITO DE LA MECNICA DE ROCAS, POSTULA QUE LA CALIDAD ESTRUCTURAL DE UN MACIZO ROCOSO PUEDE SER ESTIMADA A PARTIR DE LA INFORMACIN DADA POR LA RECUPERACIN DE TROZOS INTACTOS DE SONDAJES DIAMANTINOS. SOBRE ESTA BASE PROPONE EL NDICE CUANTITATIVO RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION) EL CUAL DEFINE COMO EL PORCENTAJE DE TESTIGO RECUPERADO EN PIEZAS SANAS Y CON UNA LONGITUD MAYOR O IGUAL A 100 mm, EN RELACIN A UNA LONGITUD BASE DE 3 METROS.

Longitud total en trozos > 100 mmR.Q.D.(%) = ----------------------------------------------------- x 100

Longitud (3m)

BASANDOSE EN RANGOS DE VALORES DE RQD, EL MEDIO ROCOSO ES CARACTERIZADO SEGN SU CALIDAD DE ACUERDO AL SIGUIENTE CUADRO:

RQD (%) CALIDAD DE ROCA

100 - 90 MUY BUENA

90 - 75 BUENA

75 - 50 MEDIANA

50 - 25 MALA

25 - 0 MUY MALA

LA APLICACIN DE ESTE CONCEPTO DE DESIGNACIN DE CALIDAD DE ROCA, DADA SU SIMPLEZA, FUE AMPLIAMENTE ACEPTADA Y DE GRAN DIVULGACIN HASTA HOY.

EVIDENTEMENTE LA SIMPLICIDAD DEL MTODO INVOLUCRA UNA SERIE DE LIMITACIONES PUESTO QUE NO CONSIDERA FACTORES IMPORTANTES COMO LA ORIENTACIN DEL SONDAJE EN RELACIN A LOS PLANOS DE DEBILIDAD, PRESENCIA DE AGUA, RELLENO DE FRACTURAS, ETC., LOS CUALES TIENEN INFLUENCIA EN LA CORRECTA CLASIFICACIN DEL TERRENO.

SE DEBE HACER PRESENTE QUE ES RECOMENDABLE DETERMINAR EL RQD EN BASE A TESTIGOS DE DIAMETRO IGUAL O MAYOR A 50 mm.

AL NO DISPONER DE SONDAJES DIAMANTINOS, EL RQD PUEDE CALCULARSE, DEFINIENDO UN RQD SUPERFICIAL SEGN LA SIGUIENTE EXPRESIN:

RQD (%) = 115 - 3.3 x Jv

DONDE:

Jv = N DE JUNTAS POR METRO CUBICO

Jv = Jx + Jy + Jz

PARA Jv < 5 ==> RQD = 100

CLASIFICACIN DE BIENIAWSKY (RMR)LAS PARMETROS CONSIDERADOE POR ESTA CLASIFICACIN SON:

RESISTENCIA A LA COMPRESIN : RESISTENCIA DE UN TESTIGO DE ROCA SANA (SIN PLANOS DE DEBILIDAD) EN UN ENSAYO DE COMPRESIN UNIAXIAL.

JUNTAS por METRO (J/m) : INCORPORA EL CONCEPTO DESARROLLADO POR DEERE (RQD) Y SEPARACIN ENTRE FRACTURAS, EN ESTE CONTEXTO SE DEFINE COMO FRACTURA A TODO TIPO DE DISCONTINUIDAD.

PERSISTENCIA DE FRACTURA : PERMANENCIA DE LA CONTINUIDAD A TRAVES DEL MEDIO ROCOSO.

ABERTURA DE FRACTURA : DISTANCIA ENTRE LAS PAREDES DE UNA FRACTURA (ESPESOR DE LA DISCONTINUIDAD).

RUGOSIDAD : DEFINIDO COMO LA TEXTURA DE LOS PLANOS DE LAS DISCONTINUIDADES

RELLENO DE FRACTURAS : CONSIDERA EL ESPESOR Y DUREZA DEL MATERIAL DE SALVANDA.

METEORIZACIN : CAMBIOS EN LA CALIDAD DE LA ROCA POR PROCESOS NATURALES, QUMICOS Y/O MECNICOS, LOS CUALES DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL MACIZO ROCOSO.

EFECTO DEL AGUA : FLUJO DE AGUA MEDIDO CUALITATIVAMENTE SOBRE UN TRAMO DE TUNEL

ORIENTACIN DE FRACTURAS : POSICIN GEOMTRICA DE LAS DISCONTINUIDADES EN RELACIN AL AVANCE DEL TUNEL.

LA METODOLOGA DE CLASIFICACIN CONSISTE EN:

1 - SELECCIONAR PARA CADA PARAMETRO EL VALOR (RATING)

2 - LA SUMA DE TOTAL DE ESTOS VALORES (RATING) CLASIFICAR A LA ROCA EN EL CORRESPONDIENTE RANGO DE CALIDAD

0 -2 -5 -10 -12 -5 -5

PLANTILLA DE CLASIFICACIN RMR

RATING 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20CLASE I II III IV VTIPO DE ROCA MUY BUENA BUENA REGULAR MALA MUY MALA

COHESION (Kpa) > 300 200 - 300 150 - 200 100 - 150 < 100

ANGULO DEFRICCIN > 45 40 - 45 35 - 40 30 - 35 < 30INTERNA ()

CLASES DE MACIZOS ROCOSOS EN FUNCIN DEL RATING TOTAL

INDICE RMR

CLASIFICACIN DEL NGI (Q)

UN SISTEMA ESTRUCTURAL DE MACIZOS ROCOSOS ORIENTADO TAMBIEN A SERVIR EN LA CONSTRUCCIN DE TUNELES, FUE DESARROLLADO POR BARTON, LIEN Y LUNDEN, INVESTIGADORES DEL NGI (NORWEGIAN GEOTECHNICAL INSTITUTE), BASANDOSE EN EXTENSIVOS ESTUDIOS EN TERRENO Y UN GRAN NMERO DE CASOS DE ESTABILIDAD DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

EL SISTEMA PROPUESTO, CONSIDERA SEIS PARMETROS PARA DEFINIR LA CALIDAD DE UN MEDIO ROCOSO, TALES COMO:

RQD : PARMETRO DEFINIDO POR DEERE

Jn : INDICE DE NMERO DE FAMILIAS DE FRACTURAS

Jr : INDICE DE RUGOSIDAD

Ja : INDICE DE ALTERACIN DE LAS PAREDES DE LAS FRACURAS

Jw : INDICE DE FLUJO DE AGUA

SRF : INDICE DEL ESTADO DE TENSIN DEL MACIZO ROCOSO (STRESS REDUCTION FACTOR)

PLANTILLA

PARA

CLASIFICACIN

DEL

NGI ( Q )

EL PARMETRO Jn REPRESENTA EL NUMERO DE CONJUNTOS DE FRACTURAS, A MENUDO ESTE INDICE SE VE AFECTADO POR FOLIACIN, ESQUISTOCIDADES, ESTRATIFICACINES, ETC. ANTE ESTOS FENMENOS DEBE EFECTUARSE UN ANLISIS ORIENTADO A DEFINIR SI ES LCITO CONSIDERARLOS COMO UN CONJUNTO O BIEN COMO FRACTURAS ERRTICAS, DEPENDIENDO DE LA CANTIDAD QUE SE DETECTEN

LOS PARMETROS J r Y Ja QUE REPRESENTAN LA RESISTENCIA AL CIZALLE , DEBERN SER RELEVANTES PARA EL CONJUNTO DE FRACTURAS MS DBILES O PARA DISCONTINUIDADES RELLENAS CON ARCILLAS.

LA CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO QUE SE DESIGN POR LA LETRA Q, SE OBTIENE A PARTIR DEL PRODUCTO DE LOS TRES CUOCIENTES SIGUIENTES:

RQD / Jn : REPRESENTA LA ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO; ES UNA MEDIDA APROXIMADA DEL TAMAO DE LOS BLOQUES.

Jr / Ja : REPRESENTA LAS CARCTERSTICAS DE FRICCIN DE LAS PAREDES DE UNA FRACTURA O DEL MATERIAL DE RELLENO DONDE MS PROBABLEMENTE SE PUEDE INICIAR EL FALLAMIENTO.

Jw / SRF : ES UN FACTOR EMPRICO QUE RELACIONA LOS ESFUERZOS ACTIVOS DEL MEDIO ROCOSO.

EL INDICE SRF ES UNA MEDIDA DE: 1 EL PESO MUERTO CUANDO LA LABOR PASA A TRAVES DE ZONAS DE FALLA Y ESTRUCTURAS CON ARCILLA, 2 ESFUERZOS EN ROCAS COMPETENTES Y 3 CARGAS CONVERGENTES EN ROCAS CON COMPORTAMIENTO PLSTICO.

EL INDICE Jw ES UNA MEDIDA DE LA PRESIN DE AGUA

Q = (RQD / Jn) x (Jr / Ja) x (Jw/ SRF)

EL VALOR DE Q PUEDE VARIAR APROXIMADAMENTE ENTRE 0,0001 Y 1000, DENTRO DE ESTE RANGO SE DEFINEN NUEVE CALIDADES DE ROCA, TAL COMO SE MUESTRA EN LA TABLA SIGUIENTE:

CALIDAD DE ROCA VALOR DEL INDICE Q

EXCEPCIONALMENTE MALA 0.0001 - 0.01EXTREMADAMENTE MALA 0.01 - 0.1MUY MALA 0.1 - 1.0MALA 1.0 - 4.0REGULAR 4.0 - 10.0BUENA 10.0 - 40.0MUY BUENA 40.0 - 100.0EXTREMADAMENTE BUENA 100.0 - 400.0EXCEPCIONALMENTE BUENA 400.0 - 1000.0

RESISTENCIA

CANTIDAD DE ESTRUCTURAS

CONDICION DE ESTRUCTURAS

ALTERACION

NIVEL DE AGUAS

ESFUERZOS

PRIORIDADES PARA UNA ZONIFICACION GEOMECANICA

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