Estabilidad Excavaciones Subterráneas-JV

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    Ph.D. Javier Vallejos U. de Chile / Ing. de Minas (Septiembre, 2013) 1

    Caracterizacin Geotcnica y Principios deMecnica de Rocas.

    Enfocado a ingenieros civiles.

    ESTABILIDAD DE

    EXCAVACIONESSUBTERRANEAS

    Javier Vallejos

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    Inestabilidades controladas por estructuras

    acta la gravedad principalmente

    Tipos de fallas

    zzyzxz

    yzyyxy

    xzxyxx

    Inestabilidades controladas por esfuerzos

    tensor con seis componentes independientes

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    Tipos de fallas

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    El objetivo de un anlisis de estabilidad es determinar como losesfuerzos se redistribuyen relativo a la resistencia del macizo rocoso

    Esfuerzos in-situ

    Envolvente de falla

    Esfuerzos totales

    Esfuerzos inducidos

    Esfuerzos totales = esfuerzos in-situ + esfuerzos inducidos

    totalesEsfuerzosaResistenciFS

    Anlisis de esfuerzos

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    Anlisis de esfuerzos

    Comportamiento de la roca es complejo, pero se puede realizar unaprimera aproximacin considerando la roca:

    Continua, Homognea, Istropa, Lineal-Elstica (CHILE)

    Recordar que en general la roca es: discontinua, heterognea,anistropa, no-elstica

    Solucin simplificada (CHILE) funciona relativamente bien:

    a grandes profundidades

    con esfuerzos altos (que han cerrado las fracturas) y

    con un macizo rocoso relativamente homogneo e istropo

    La hiptesis se debilita al estar afectado por:

    esfuerzos menores

    con fracturamiento ms importante

    con un macizo rocoso ms alterado y meteorizado

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    Las siguientes soluciones analticas son particularmente tiles paraminera:

    Esfuerzos alrededor de un tnel circular (solucin de Kirsch)

    Ecuaciones de esfuerzos para un cilindro hueco

    Esfuerzos alrededor de una cavidad esfrica en un campo deesfuerzos hidrosttico

    Esfuerzos alrededor de una excavacin elptica

    Esfuerzos alrededor de un tnel circular con una zona de falla Mohr-Coulomb

    Soluciones elsticas para esfuerzos alrededor de excavacionestabulares

    Soluciones analticas

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    Excavacin circular

    Kirsch (1898)

    2cos144 2

    2

    2121

    2

    r

    Rpppp

    Gr

    Rur

    2sin2124 2

    2

    21

    2

    r

    Rpp

    Gr

    Ru

    Desplazamientos inducidos por la excavacinEsfuerzos totales debido a la excavacin

    2cos34

    1

    2

    11

    2

    14

    4

    2

    2

    212

    2

    21

    r

    R

    r

    Rpp

    r

    Rppr

    2cos3

    12

    11

    2

    14

    4

    212

    2

    21

    r

    Rpp

    r

    Rpp

    2sin32121 4

    4

    2

    2

    21

    r

    RrRppr

    CHILE

    Campo de esfuerzos biaxial

    ,E

    vE

    G 12

    1p

    2p

    R

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    Excavacin circular

    2cos34

    1

    2

    11

    2

    14

    4

    2

    2

    212

    2

    21

    r

    R

    r

    Rpp

    r

    Rppr

    2cos3

    12

    11

    2

    14

    4

    212

    2

    21

    r

    Rpp

    r

    Rpp

    2sin32

    12

    14

    4

    2

    2

    21

    r

    R

    r

    Rppr

    Esfuerzos permetro excavacin, r= R:

    0r 2cos2 2121 pppp

    0r : libre de esfuerzos de corte!

    : no hay presin interna

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    -2

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

    Razon de esfuerzos in-situ, k

    /p

    -2

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

    Razon de esfuerzos in-situ, k

    /p

    B

    Excavacin circular

    2cos121

    2

    kkp

    vh kp 1

    zp v 2

    0: A

    90: B

    A

    A:

    kp

    A 32

    B:

    132

    kp

    B

    Esfuerzos permetro excavacin, r= R:

    /p2

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    Excavacin circular

    Esfuerzos alrededor de la excavacin:

    Relajacin de esfuerzos = falla estructural

    Concentracin = fracturamiento

    situin1

    situin3

    :1k

    Relajacin de esfuerzos

    Concentracin deesfuerzos

    :1ksituin

    1

    situin3

    Relajacin de esfuerzos

    Concentracin deesfuerzos

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    Excavacin circular

    Caso hidrosttico, k = 1:

    ppp 21

    pGrRur2

    2

    0u

    2

    2

    1r

    Rpr

    2

    2

    1rRp

    0r

    1p

    2p

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    Zona de influencia

    Dominio sobre el que una excavacin genera una perturbacinsignificativa del estado de esfuerzos

    La presencia de una excavacin vecina puede afectar el estado deesfuerzos del rea donde se va a realizar otra excavacin al punto dehacerla fallar

    Esfuerzos totales = Esfuerzos in-situ + esfuerzos inducidos

    ppp 21

    2

    2

    1r

    Rpr

    2

    2

    1r

    Rp

    Ejemplo: excavacin circular con campo de esfuerzos hidrosttico

    2

    2

    r

    Rppr

    2

    2

    r

    Rpp

    Campo lejano(constante)

    Esfuerzos inducidos(decae con 1/r2)

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    Zona de influencia

    2

    2

    r

    R

    p

    ind

    2

    2

    r

    R

    p

    ind

    r

    -1.2

    -1.0

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

    r/R

    pind

    pindr

    pind

    R11.0

    11.03

    p

    pRr

    ind

    ind

    r

    04.0

    04.05

    p

    pRr

    ind

    ind

    r

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    Dos tipos de excavaciones mineras:

    Servicio: permanente (accesos de la mina y nivel de transporte,vas de ventilacin, caverna chancador, talleres, etc.

    Produccin: temporales (caserones, acceso a caserones, etc.)

    Se considerara el diseo de ambos tipos de excavaciones con

    entrada de personal

    El diseo de excavaciones sin entrada de personal se estudiara ms

    adelante

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    Para evaluar la estabilidad se debe comparar los esfuerzos principalestotales debido a la excavacin con la resistencia de la roca

    Por ej: Esfuerzos totales debido a una excavacin circular

    2cos34

    12

    11

    2

    14

    4

    2

    2

    212

    2

    21

    r

    R

    r

    Rpp

    r

    Rppr

    2cos3

    1

    2

    11

    2

    14

    4

    212

    2

    21

    r

    Rpp

    r

    Rpp

    2sin32

    12

    14

    4

    2

    2

    21

    r

    R

    r

    Rppr

    1p

    2p

    R

    1

    1

    rFS

    a

    c

    bc

    r sm

    331

    Resistencia (por ej: Hoek-Brown)

    2

    2

    3,122

    rrr

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    a

    c

    bc sm

    331

    En el borde de la excavacin, 3 = 0:

    a

    c s 1

    Si el material es intacto, s = 1c 1

    Observaciones en minas subterrneas en rocas masivas de altaresistencia sugieren que la falla comienza cuando el esfuerzotangencial mximo en el borde de la excavacin alcanza 40% de laresistencia a la compresin uniaxial

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    c

    f

    a

    R

    max25,149,0

    c

    4,0max

    fR

    a

    situinsituin 31max 3

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    UCScd 8,0

    UCSci 4,0

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    URL test tunnel(Martin, 1997)

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    Diseo de excavaciones en roca CHILE

    Delineado de zonas de falla en la superficie de la excavacin

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    Inestabilidad por control estructural

    cuapeso

    pernoscapacidadFS

    paredes5,1FS

    techo0,2FS

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    Cuas se forman debido a la interseccin de discontinuidades ms laexcavacin la que entrega una potencial cara libre para que puedandeslizar bloques

    Mapeo de discontinuidades en el techo

    North Mine 175 OB

    Formacin de cuas potenciales aldeslizamiento North Mine 175 OB

    Diederichs(1999)

    Inestabilidad por control estructural

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    Died

    erichs(1999)

    Ambientes de bajos esfuerzos (cerca de superficie), relajacin debido ala deflexin del techo, o cambios en la geometra de la mina queproduce una disminucin de esfuerzos

    Inestabilidad por control estructural

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    194 casos de cadas de rocas entre1985 a 1996

    12 minas en Sudbury, Ontario,Canad

    Profundidades entre 150 a 2300 m

    Dip estructuras > 60

    Catalizadores falla estructural:Tronadura (42%)

    Perforacin (13%)

    Carguo (10%)

    Hutchinson (1998)

    Inestabilidad por control estructural

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    Geometra tpica de cuas (terica) de la base de datos de las minas deSudbury considerando la interseccin de las discontinuidades mayores

    Se asume que las cuas utilizan la luz completa de la excavacin (caso msdesfavorable)

    Se predicen cuas tpicas de altura en exceso a la luz de la excavacin

    Diederich

    s(1999)

    Inestabilidad por control estructural

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    Valores actuales para la razn entre altura cua-luz excavacin: Considerablemente menores a los estimados

    Existe un efectos significativo de sostenimiento de los esfuerzos horizontales que nopermite que las cuas de razones de aspecto altura cua-luz excavacin altosdeslicen

    Hutchinson(1998)

    Inestabilidad por control estructural

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    Principio de soporte de un bloque/cua

    W

    T rea de contactoACohesin cFriccin

    Tensin en el perno T

    cossin

    tansincos

    TW

    TWcAFS

    tansincos

    tancossin

    FS

    WcAFSWT

    Para encontrar el ptimo: 0d

    dT

    FS

    opt

    tanatan

    optFS 1

    El refuerzo tensado aumenta la friccin

    El refuerzo tensado reduce la componente del peso que hace que el bloque deslice

    Si el refuerzo no es tensionado, movimientos del bloque (dilatancia) pueden ocurrirdisminuyendo el ngulo de friccin

    El refuerzo debe ser rgido

    Inestabilidad por control estructural

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    Cua deslizante

    C

    hoquetandHadjigeorgiou(1993)

    Notar que el largo del refuerzo debe ser mayor al desarrollo de la cua

    N = nmero de pernos

    W = peso de la cua

    fr= capacidad del refuerzo

    b = dip de la superficie de deslizamiento

    c = cohesin de la superficie de deslizamiento

    = friccin de la superficie de deslizamiento

    A = rea base de la superficie de deslizamiento

    a = ngulo entre el plunge del perno y la normal a lasuperficie deslizante

    aFSafr

    cAbbFSWN

    sintancos

    tancossin

    mecanicosanclajespara2,0

    adheridospernospara5,1

    FS

    FS

    Inestabilidad por control estructural

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    Cuas 2D

    Seleccionar espaciamiento a

    Cables a lo largo de la luz fr

    HSa

    N

    2

    1

    N

    Sb

    fr= capacidad del refuerzo

    Inestabilidad por control estructural

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    Cuas 3D

    La identificacin de bloques potenciales al deslizamiento se realizamediante la teora de bloques de Goodman and Shi (1985)

    El mtodo es ms complejo que el de 2D (definicin de cuas, calculo delpeso y factor de seguridad) por lo que un tratamiento rutinario manual espoco comn

    El programa Unwedge (Rocsciene) resulta bastante til para este tipo de

    problema

    Deslizamiento

    Cada

    Inestabilidad por control estructural

    I bilid d l l

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    Unwedge

    Discontinuidades:

    c = 0

    = 35

    Set Dip DipDirection

    1 70 5 036 122 85 8 144 10

    3 55 6 262 15

    Eje tnel:Trend = 0

    Plunge = 0

    5 m

    7,5 m

    (http://www.rocscience.com/)

    Inestabilidad por control estructural

    I t bilid d t l t t l

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    Unwedge Input

    Inestabilidad por control estructural

    I t bilid d t l t t l

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    Unwedge Visualizacin

    Inestabilidad por control estructural

    I t bilid d t l t t l

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    Unwedge Visualizacin por cua

    Inestabilidad por control estructural

    Inestabilidad por control estructural

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    Se prefiere estimar los

    factores de seguridad delargo plazo de las cuas sinincluir esfuerzosgravitacionales ni inducidos,es decir el esfuerzo normal a

    la estructura no existe

    El incorporar esfuerzos en elsistema aumenta los factoresde seguridad

    FS = 0,4410,1 t

    estable

    53,6 t

    FS = 0,498,7 t

    FS = 0,0011,5 t

    Inestabilidad por control estructural

    Unwedge Cuas deslizantes

    Inestabilidad por control estructural

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    FS = 0,9010,1 t

    estable

    53,6 t

    FS = 0,908,7 t

    FS = 1,7811,5 t

    Inestabilidad por control estructural

    Unwedge Cuas deslizantes

    Tnel ubicado a 500 m de profundidad

    Diseo de excavaciones

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    Diseo de excavaciones

    : Iniciacin de grietasci

    0T : Resistencia a la traccin

    Sistema de refuerzo/soporte/retencin

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    Sistema de refuerzo/soporte/retencin

    REFORZAR

    RETENER

    SOPORTAR

    Cargas dela roca

    Esfuerzosen la roca Reforzar Integral con la roca

    Prevenir la separacin y deslizamiento de

    bloques a lo largo de planos de debilidadal interior de la roca de manera deconservar la resistencia inherente delmacizo rocoso

    Soportar Externo a la rocaSostener la carga de los elementos deroca fracturados o bloques individuales

    RetenerMantener los fragmentos de rocafracturada entre los elementos soportantes

    Refuerzo/soporte

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    Refuerzo/soporte

    ADHERENCIA FRICCION

    RESINA

    BARRAS

    CEMENTOALTA CARGADE CONTACTO

    ANCLAJEMECANICO

    BARRASCABLES

    BAJA CARGADE CONTACTO

    COMPRESIONDEL BULON

    SPLIT SET

    EXPANSIONDEL BULON

    SWELLEX

    Retencon: Malla

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    Malla soldada (welded)

    Malla trenzada (chainlink)

    Malla soldada forma cuadrados de 4

    Malla trenzada es mas fcil de adaptar auna superficie irregular

    Si en la malla trenzada se produce unarotura en una fibra el material deslizara

    Difcil de aplicar shotcrete sobre mallatrenzada ya que forma paquetes de aire

    Retencon: Malla

    Retencin: Shotcrete

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    Shotcrete en una mezcla de:

    Cemento

    Agua

    Agregados (grava pequea, arena)

    Aditivos, fibra (para modifica propiedades)

    Retencin: Shotcrete

    Ciclo minero

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    Ciclo minero

    CARGA DE EXPLOSIVOS

    TRONADURA Y VENTILACION

    CARGA

    PERFORACIONMAPEO YCARACTERIZACION

    INSTALACION DEREFUERZO

    ACUAMIENTO

    CARGUIO Y TRANSPORTE

    Perforacin

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    Perforacin

    Perforacin

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    Calidad del perfil causas de sobre-excavacin sub-excavacin

    Perfi l actual

    Perfil perforacin

    Sobre-excavacin debido a tronadura/geologa

    Perfi l de diseo

    Sub-excavacin debidoa perforacinSub-excavacin debido a

    tronadura/geologa

    Perforacin

    Sobre-excavacindebido a perforacin

    Perforacin

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    e o ac

    Calidad del perfil

    TronaduraRainura (Burn Cut):

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    Definiciones

    Serie de perforaciones en un

    patrn regular alrededor detiros no cargados

    Tronadura

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    Definiciones

    Rainura (Burn Cut):

    Serie de perforaciones en unpatrn regular alrededor detiros no cargados

    Tronadura

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    Es posible estimar (2DFace, JK Simblast) con bastante confianza las

    vibraciones que se generarn en los alrededores de una carga explosiva

    tpica en desarrollo horizontal.

    Simulacin de vibraciones

    Anlisis de la distribucin de energa o factor de carga

    Acuamiento

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    Acuamiento manual Acuamiento mecnico

    Diseo del sistema de estabilizacin

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    Factores que afectan al diseo:

    Condicin de esfuerzos

    Geometra de las excavaciones Geologa y condiciones del macizo rocoso

    Dao por tronadura

    Caractersticas del sistema de fortificacin

    Secuencia: instalacin del sistema de fortificacin excavacin

    Propsito y tipo de excavacin

    Experiencia y seguridad de los trabajadores

    Elementos de estabilizacin

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    Perno adherido con resina

    Cone bolts (ensayo GRC)

    Cone bolts (ensayos

    Sudafricanos)

    Anclaje mecnico

    Swellex

    Split set

    Malla soldada #6(pao 1,5 x 3 m)

    Malla trenzada #9(pao 1,5 x 1,5 m)

    Malla soldada #6(pao 1,5 x 1,5 m)

    Malla soldada #6reforzada con shotcrete(panel 1,5 x 3,0 m)

    Malla soldada #6reforzada con shotcrete(panel 1,5 x 1,5 m)

    Seleccin del sistema de estabilizacin

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    El factor ms importante es considerar el modo de falla potencial y elmecanismo que controla, por ejemplo:

    Esfuerzos altos

    Bloques deslizando por gravedad (grado de fracturamiento)

    Convergencia en roca dbil

    Un buen sistema de estabilizacin es el que ajusta el modo de falla

    del macizo rocoso con las caractersticas del sistema

    Es necesario determinar:

    Tipo de soporte, incluyendo combinaciones si es necesario Longitud

    Espaciamiento

    Activo o pasivo

    Cuando instalar

    Seleccin del sistema de estabilizacin

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    Roca masiva sujeta aesfuerzos in-situ bajos. Sin

    soporte o pernos deseguridad y malla

    Rocamasiva

    Esfuerzos bajos Esfuerzos altos

    Roca masiva sujeta a esfuerzosin-situ altos. Patrn de pernoscon malla o shotcrete para inhibir

    el fracturamiento y retener losbloques de roca

    Seleccin del sistema de estabilizacin

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    Esfuerzos bajos Esfuerzos altos

    Ro

    camoderadamente

    fracturada

    Roca masiva con relativamentepocas discontinuidades sujeta aesfuerzos in-situ bajos. Pernos

    locales para prevenir la falla debloques individuales y cuas.Pernos deben ser tensionados

    Roca masiva con relativamentepocas discontinuidades sujeta aesfuerzos in-situ altos. Patrndenso de pernos inclinados paracruzar las estructuras de la roca,con malla o shotcrete reforzadocon fibra en techo y paredes

    Seleccin del sistema de estabilizacin

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    Ph.D. Javier Vallejos U. de Chile / Ing. de Minas (Septiembre, 2013) 60

    Esfuerzos bajos Esfuerzos altos

    Roca altamente fracturada sujeta a esfuerzos in-situaltos. Patrn denso de pernos con shotcretereforzado con fibra. En casos extremos, arcos deaceros con juntas deslizantes pueden ser requeridos.Contra bveda o losas de hormign pueden serrequeridas para controlar levantamiento del piso

    Rocaaltame

    nte

    fracturada

    Roca altamente fracturada sujetaa esfuerzos in-situ bajos. Patrnliviano de pernos con malla y/oshotcrete controlaran la sobreexcavacin de los trozos de rocaalrededor de la excavacin

    Diseo de soporte Carga esttica

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    Ph.D. Javier Vallejos U. de Chile / Ing. de Minas (Septiembre, 2013) 61

    Resistencia soporte requerida

    Rs

    > h

    : Peso unitario

    h: espesor del bloque

    A Soportar peso muerto

    B Aumento friccin

    Resistenciasoporte, RS

    Mtodos empricos de diseo RMRB

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    Ph.D. Javier Vallejos U. de Chile / Ing. de Minas (Septiembre, 2013) 62

    Hutchinsonan

    dDiederichs(1996)

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    RQD Rock Quality Designation (%)

    Intervalos de 5 puntosSi RQD10 RQD = 10 para evaluar Q

    Jn Nmero de sistemas de discontinuidades

    Jr Nmero de rugosidad de discontinuidades

    Ja Nmero de alteracin de discontinuidades Jw Agua en discontinuidades

    SRF Factor de reduccin por esfuerzos

    SRF

    J

    J

    J

    J

    RQDQ w

    a

    r

    n

    : Tamao de bloques

    : Resistencia al corte entre bloques

    : Esfuerzos activos

    nJ

    RQD

    a

    r

    J

    J

    SRF

    Jw

    Descripcin del macizo Q Q

    Excepcionalmente malo 0,001 0,01 0,0005

    Extremadamente malo 0,01 0,1 0,005

    Muy malo 0,1 1 0,01

    Malo 1 4 0,3

    Regular 4 10 1,5

    Bueno 10 40 3

    Muy bueno 40 100 8

    Extremadamente bueno 100 400 40

    Excepcionalmente bueno 400 1000 100

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    SRF

    Asociado al posible efecto de la condicin de esfuerzos en el macizorocoso, y puede considerarse una medida de:

    a) La presin causada por el material suelto, en el caso de un tnel queatraviesa una zona de cizalle o un macizo rocoso arcilloso y de malacalidad geotcnica

    b) La concentracin de esfuerzos que se produce en la periferia de tnelesexcavados en macizos rocosos competentes

    c) Las presiones asociadas al flujo plstico (squeezing) o al hinchamiento(swelling) que encuentra tneles que cruzan macizos rocosos arcillosospoco competente bajo un estado de esfuerzos importante, o macizosarcillosos y expansivos

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Ph.D. Javier Vallejos U. de Chile / Ing. de Minas (Septiembre, 2013) 65

    (a) Zonas dbiles interceptan la posicin que tendr la excavacin subterrnea, lo que puede causar aflojamiento(loosening) del terreno cuando se desarrolle la excavacin subterrnea

    Caso Condicin SRF

    A Mltiples zonas dbiles que contienen arcillas y/o roca qumicamente desintegrada, conroca suelta en su periferia (a cualquier z) 10,0

    B Mltiples zonas dbiles, con roca suelta en su periferia, en un macizo rocosocompetente y libre de arcilla (a cualquier z) 7,5

    C Macizo rocoso muy fracturado, con estructuras abiertas que definen bloques en formade cubos (a cualquier z) 5,0

    D, E Una zona dbil que contienen arcillas y/o roca qumicamentedesintegrada, con roca suelta en su periferia

    z50 mz > 50 m

    5,02,5

    F, G Una zona dbil, con roca suelta en su periferia, en un macizorocoso competente y libre de arcilla

    z50 mz > 50 m

    5,02,5

    SRF: (a) zonas dbiles

    Notas: Los valores de SRF deben reducirse en un 25% a 50% si las zonas de cizalle relevantes solo influencian eltnel, pero no lo intersectan

    z: profundidad

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    (b) Macizos rocosos competentes, problemas asociados a concentraciones de esfuerzos

    Caso Condicin UCS/1 /UCS SRFH Estado de esfuerzos de magnitud baja, estructuras superficiales abiertas > 200 < 0,01 2,5

    I Estado de esfuerzos moderados, condicin de esfuerzos favorable 200 10 0,01 0,3 1,0

    J Estado de esfuerzos de magnitud alta, estructuras bien trabadas (usualmentefavorable para la estabilidad, aunque puede presentar problemas en las cajas)

    10 5 0,3 0,40,5 2,0

    K Macizo rocoso que presenta lajamientos moderados 1 hora despus deldesarrollo de la excavacin subterrnea

    5 3 0,5 0,655 50

    L Macizo rocoso que presenta lajamientos e incluso estallidos de roca pocodespus del desarrollo de la excavacin subterrnea 3 2 0,65 - 1,0 50 200

    M Macizos rocosos que sufren notorios estallidos de roca y deformacionesinmediatas despus del desarrollo de la excavacin subterrnea

    < 2 > 1200 - 400

    SRF: (b) macizo rocoso competente

    Notas:

    Si el estado de esfuerzos in-situ es muy anistropo, entonces para evaluar SRF utilice el siguiente UCS reducido:Si 5 1/3 10: reduzca UCS a 0,75UCS ; Si 1/3 > 10: reduzca UCS a 0,5UCS La base de datos del mtodo incluye pocos casos en que la profundidad del techo del tnel respecto a la superficie delterreno es menor que el ancho del tnel. Si este es el caso, entonces SRF debe incrementarse de 2,5 a 5 (ver H)

    Casos K, L, M son usualmente los ms relevantes para el diseo de soporte en excavaciones profundas UCS: resistencia a la compresin uniaxial roca intacta 1, 3: esfuerzos in-situ principales mayor y menor

    : mximo esfuerzo tangencial en el contorno de la excavacin estimado mediante la teora de elasticidad

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    0.1

    1

    10

    100

    1000

    1 10 100

    UCS /1

    S

    RF

    Barton et al. (1974)

    Barton (2002)

    c/1 bajo:

    fracturamiento por esfuerzos altos

    SRF Q

    c/1 medio:

    bloques quedan ajustados

    SRF Q

    c/

    1alto:

    bloques quedan sueltosconllevando a inestabilidades

    SRF Q

    Zona deestallidosde roca

    Esfuerzosaltos

    2 5 20 50 200

    Confinamientomedio

    Confinamientobajo

    SRFQ

    1

    SRF: (b) macizo rocoso competente

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    SRF: (c) Flujo plstico(c) Macizos rocosos que fluyen plsticamente (squeezing rock)

    Caso Condicin UCS/1 SRFO El flujo plstico genera presiones leve a moderadas 1 5 5 10

    P El flujo plstico genera presiones importantes > 5 10 20

    SRF: (d) Hinchamiento

    (d) Macizos rocosos expansivo (swelling rock), expansin o hinchamiento debido a reacciones qumicas causadas por lapresencia de agua

    Caso Condicin SRF

    R El hinchamiento genera presiones leves a moderadas 5 10

    S El hinchamiento genera presiones importantes 10 15

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Barton(1974)

    buena)aregular(calidad10

    0,166,00,15,1990

    Granito

    Q

    Q regular)(calidad2,9

    0,166,00,10,31570

    Granito

    Q

    Q mala)(calidad5,1

    0,166,00,20,1940

    aArcillolit-Arenisca

    Q

    Q

    mala)muy(calidad24,0

    0,566,00,50,1980

    Caliza

    Q

    Q

    mala)enteextremadam(calidad09,0

    0,566,00,50,1930

    Lutita

    Q

    Q

    mala)lmenteexcepciona(calidad009,0

    0,666,00,60,12010

    0)(todescompuesGranito

    Q

    Q

    RQD

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    ESRSpanDe

    ESR es un factor que toma en cuenta el grado de inestabilidadpermitido de la excavacin basado en el tiempo de servicio y uso

    Al igual que para cualquier sistema emprico, la aplicacin de lasguas debe estar en el rango de casos con el que se desarrollaron

    Notar la ausencia de casos en ambientes mineros de altos esfuerzos.

    Se recomienda ESR3

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Base de datos utilizados en desarrollar en sistema Q

    La mayora de casos de la ingeniera civil

    Probablemente conservativo para aplicaciones mineras

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Hutchinson and Diederichs (1996)

    (m)2 4,0QESRLuz mxima sin refuerzo

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Las longitudes de cables en la ordenada derecha son vlidas para ESR = 1

    Para valores de ESR mayores estas longitudes deben ser aumentadas deacuerdo a la luz actual de la excavacin

    Una aproximacin razonable para minera es multiplicar las longitudes por ESR0,5

    Mtodos empricos de diseo - Q

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    Guas para el diseo de refuerzo en paredes

    Para las paredes, la demanda por refuerzo es menor, y lassiguientes guas han sido sugeridas

    10para5 QQQw100,1para5,2 QQQw

    1,0para QQQw

    Longitud del refuerzo en excavacin de luz B (m)

    (m)15,0

    2ESR

    BL

    Referencias Bieniawski, Z.T. (1989). Engineering rock mass classifications. New York: Wiley.

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    ( ) g g y

    Hoek, E., and Brown, E.T. (1997). Practical estimates of rock mass strength. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 8, 1165-1186.

    Barton, N.R., Lien, R., and Lunde, J. (1974). Engineering classification of rock masses for the design of tunnelsupport. Rock mechanics, 6, 4, 189-239.

    Barton, N. (2007). Rock mass characterization for excavations in mining and civil engineering. Proc. Of the Int.Workshop on rock mass classification in underground mining, 3-13. NIOSH.

    Barton, N. (2002). Some new Q-value correlations to assist in site characterisation and tunnel design. Int. J. RockMech. & Ming. Sci., 39, 185-216.

    Hutchinson, J., and Diederichs, M.S. (1996). Cablebolting in underground mines. Bitech Publishers.