Class-5 Stress
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Prof. André Zi ngano Prof. Jair Koppe DEMIN - UFRGS
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in situ
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Prof. Andr ZinganoProf. Jair KoppeDEMIN - UFRGS
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MEDIDAS DE ESFUERZOS IN SITU
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Los esfuerzos que existen en un macizo rocoso anteriores a la excavacin estn relacionados con el peso de los estratos sobreyacentes y con la historia geolgica del macizo.
Necesitamos conocer el estado de los esfuerzos in situ previamente al desenvolvimiento de las excavaciones que irn modificar la distribucin de los esfuerzos en el momento que son iniciadas.
Los esfuerzos son tensores y non unidades escalares o vectoriales. Como tensor necesita una magnitud, direccin e un plano de aplicacin.
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En que direccin e en que magnitud los esfuerzos principales actan?
En que direccin la roca pode fracturar o romper?
Cual es lo efecto de los esfuerzos en las aberturas e sustentaciones?
En la fase de proyecto: conocer lo estado de esfuerzos al redor de las aberturas.
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Los esfuerzos que actan en un elemento infinito poden ser descompuestas en fuerza normal e cortante.
Como existen tres esfuerzos principales, cada esfuerzo es descompuesto en tres esfuerzos, un normal e dos cortantes (nueve tensores).
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Alteraciones de los rgimen de los esfuerzos y hidrulico alrededor de una excavacin
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3
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Las medidas de esfuerzos in-situ resultan en 9 componentes, expresos en relacin as coordenadas locales.
Determinando apenas los esfuerzos principales, podemos represntalas por medio de estereogramas
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Lo campo de esfuerzos es expreso pelas magnitudes e orientaciones de los esfuerzos principales.
En la teora de elasticidad podemos afirmar que:
O esfuerzo principal (1) acta en la direccin vertical
Los otros esfuerzos principales (2 e 3) actan en la horizontal
Basado en esa concepcin es posible estimar los esfuerzos
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El esfuerzo vertical aumenta a medida que la profundidad aumenta
Debido al peso do overburden (carga de las rocas sobreyacentes)
Tenido una densidad media para las rocas, a cada 40m aumenta 1MPa lo esfuerzo vertical
Podemos considerar entonces: v = z (Mpa)
Algunas densidades () para carbn = 0.01MN/m3
para rocas silicticas = 0.028MN/m3
Para lutita = 0.023MN/m3
para gabros = 0.03MN/m3
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Considerando que lo esfuerzo vertical es un valor particular para un determinado punto (profundidad)
Pode se esperar que lo esfuerzo horizontal es uno esfuerzo inducido debido a la compresin vertical de la roca
Esa relacin entre lo esfuerzo horizontal y vertical es funcin del mdulo de Young (E) y la relacin de Poisson (v)
vHv
v
=1
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La figura representa la influencia de una fractura no campo de esfuerzos alrededor
Ese modelo es basado no modelo elstico (isotrpico, homogneo, continuo e elstico)
El campo de esfuerzos es alterado debido a la fractura
Una variabilidad muy grande no campo de esfuerzos significa o intenso fracturamiento de la roca
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La figura presenta las mudanzas del campo de esfuerzos dependiendo do tipo de henchimiento de la fractura
Caso 1: fractura abierta
Caso 2: fractura con henchimiento con material con lo mismo mdulo de Young de la roca
Caso 3: fractura con henchimiento con material rgido
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Mediciones en diferentes regiones y profundidades (Hoek e Brown, 1978);
Pode ser observado que lo esfuerzo vertical estdistribuido en torno de 0.027z;
La variacin de lo esfuerzo horizontal es funcin de la profundidad y esfuerzo vertical;
En pequeas profundidades la variacin de lo esfuerzo horizontal es mayor
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zz
yyxx
p
ppk
)(5.0 +=
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Superficie topogrfica
Erosin
Esfuerzo residual
Inclusiones
Esfuerzos tectnicos
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Flatjack test
Hidraulic fracturing test
USBM overcoring torpedo
CSIRO overcoring gauge
Vibrating Wire gauge
Hydraulic Borehole Pressure
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Dos clavos san introducidos en la tabla (parede) de la excavacin y es medida la distancia d
Una ranura es escavada perpendicular a la lnea entre los clavos.
Lo flatjack consiste en dos placas soldadas en que se aplica una presin con agua o leo
A presin aplicada faz con que la distancia entre los dos clavos volva a la posicin inicial
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Es medido lo esfuerzo normal a el flatjack
Deben ser realizadas seis medidas diferentes en diferentes posiciones
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O flatjack mide apenas uno esfuerzo, perpendicular al equipamiento Se lo esfuerzo no fuer perpendicular, debe se realizar transformaciones,
Ese mtodo mide lo esfuerzo inducido pela abertura e no lo estado de esfuerzos (field stress)
Sabiendo el campo de esfuerzos inducidos lo estado de esfuerzos (field stress) pode ser estimado
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Una porcin de un furo (~1m) es insolado por un sistema que no permite o basamento de agua (straddle packer system)
La porcin insolada es presurizada con agua asta que ocurra la fractura
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Neso momento san medidas das presiones
Cuando la fractura ocurre (breakdown pressure)
Presin necesaria para mantener la fractura abierta (shut-in pressure)
Un equipamiento mede la orientacin e localizacin de la fractura abierta
La porcin del furo no debe contener fractura para garantir que a agua ir criar una nova
Es lo nico mtodo de medicin directa de los esfuerzos principales
Pode ser realizado en cualquier profundidad o distancia de la abertura
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Existen algunos problemas en la ejecucin dese teste: Dificultades de identificar 1 metro de rocha sin fractura
Dificultades de medir as presiones (breakdown and shut-in pressures)
Si las fracturas criadas en la parede del furo propagan in la misma direccin
Lo furo debe ser paralelo a una de los esfuerzos principales
La roca es asumida como impermeable
Ps = h; que es el menor esfuerzo principal
PB = 3h - H + t; t es la resistencia a la traccin de la roca
Vlido para la teora elstica
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El torpedo es inserido en lo furo y seis botones (esferas de acero) son presionados contra la parede del furo, midindose su posicin
La posicin de las esferas es medida por medio di strain gages
Un furo con dimetro mayor es echo entorno do furo inicial
El furo sufre deformaciones, que son detectadas pelos strain gages
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Pode hacer mediciones de los esfuerzos en cualquier profundidad
Basado en las deformaciones del macizo
Lo estado de esfuerzos no plano perpendicular a el furo pode serdeterminado
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La operacin es similar a el USBM overcoring, siendo que los transductores poden medir las deformaciones en diferentes direcciones del furo
El equipamiento es colocado no furo piloto y las medidas empezam a ser colectadas
O furo externo al furo piloto es realizado
La medida que es echo lo furo externo san colectadas medidas de deformacin
Existen de 9 a 12 strain gages para medidas de deformacin
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Lo equipamiento con la roca pode ser retirado de dentro del furo e si pode, entonces analizar los resultados e conferir si no ocurri ningn problema con los strain gages
La mayor desventasen dese mtodo es la manutencin del ambiente do interior do furo para la adhesin de los strain gages a su parede
Es lo nico mtodo que pode presentar todos los esfuerzos en una nica medida
