excavaciones subterraneas en zonas de altos esfuerzos

7/21/2019 Excavaciones Subterraneas en Zonas de Altos Esfuerzos

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Excavaciones subterrneas enzonas de altos esfuerzos

Mecnica de Rocas en Obras de Ingeniera,CI52T


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Tipos de esfuerzos Modelamiento de esfuerzos

Modos de falla por esfuerzos Eplosiones de roca


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Fallamiento en Macizos Rocosos

! ba"o stress, el proceso de falla estfundamentalmente controlado por lacontinuidad # distribuci$n de fracturas

naturales% En alto stress, la falla se domina por

nue&as fracturas inducidas por losesfuerzos, 'ue crecen paralelas a la

eca&aci$n (fractura frgil)% En macizos fuertemente fracturados, la

deformaci$n es ms d*ctil (falla plstica)


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Terminologa de Esfuerzos

Tectnico+ Causado por las fuerzasgeneradas por mo&imiento de las placastect$nicas%

Gravitacional+ Causado por el peso de lasobrecarga de roca%

Natural+ In situ, anterior a obras deingeniera%

Regional+ En un amplio dominiogeol$gico%

Local+ En un dominio pe'ueo%


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Inducido+ Esfuerzo natural perturbado poringeniera%

Campo Cercano+ En regi$n de perturbaci$npor ingeniera%

Campo Lejano+ Ms all del campo cercano% Residual+ Esfuerzos causados por acti&idad

tect$nica pre&ia o cambios en la sobrecarga,pero 'ue se mantienen actuando (loc-ed.inesfuerzo)

Paleoesfuerzo+ esfuerzo natural pre&io 'ue no

sigue actualmente actuando% Termal+ Causado por cambios de T/

Fuente: ISRM, !!"#


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Esfuerzos Tect$nicos

%orld esfuerzo Ma& 'ro(ect:

)tt&:**++++sm#&)-si.#uni.arlsru)e#de


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Estimaci$n de esfuerzo insitu

Relaci$n esfuerzo&ertical &s%0rofundidad (&1

z) act*a bien enpromedio, peroa# fuertesdiferencias en

especial a ba"asprofundidades%


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Estimaci$n de esfuerzo insitu

Igualmente,relaci$n deesfuerzos

orizontal &s%&ertical dada porla teora elsticasolo tiende a

cumplirse a altasprofundidades%

vvH k

=

1=

!# / . / 0 a&rox#


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3eore# (46) usando un modelo elasto.termal describi$ la &ariaci$n de - como+

7a 'ue se a"usta razonablemente a losdatos medidos% E(en 80a) es el m$dulo

promedio de deformaci$n en la cortezasuperior medido en direcci$n orizontal%

++= zEk h 1001.0725.0


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Modelamiento de Esfuerzos

Teora elstica Modelos te$ricos tipo modelo

elasto.termal # otros Modelamiento num9rico


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M1todos 2um1ricos 3&licados a

4eomecnica

4% M9todos continuos (elementos finitos.:EM,diferencias finitas.:;M, elementos defrontera.)=

?% M9todos bridos continuo.discreto% 7a elecci$n del m9todo depende del

problema especfico, especialmente de laescala # la geometra del sistema de

fracturas% 3i el n*mero de fracturas es altopara la escala del problema o si a#desplazamientos grandes entre los blo'ues,se debieran usar m9todos discretos%


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Modelos continuos+ 7o ms com*n esescalar las propiedades del Macizo conmodelos como el de @oe-.


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E(: Medici$n - Modelamiento de

Esfuerzos 56aiser et al#!!07

0redicci$n de esfuerzosconfiable mientras el macizoest9 en un estado de

esfuerzos compresi&o% Bona de rela"amiento, los

modelos elsticos tienden asobreestimar la rela"aci$n,aun'ue muestrancorrectamente lastendencias de cambios deesfuerzo%


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Tendencias deesfuerzos # sustra#ectorias coincidenentre modelos #mediciones%

@a# desfases en losmimos, e"% mimoincremento de 4ocurre poco antes de lo

modelado (efecto de nolinearidad del macizoadelante del frente)

!l pasar "unto a lacelda, ? decrece antes

de lo esperado%


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Efecto de Excavaci$n -

8iscontinuidades

En superficies de eca&aci$n nosoportadas, el esfuerzo es principal(no a# esfuerzo de cizalle) # el

esfuerzo normal a la superficie es iguala la presi$n atmosf9rica%


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7o mismo ocurre en fracturas abiertas%

0or tanto, en macizos fracturados las

&ariaciones del campo de esfuerzos in.situpueden ser mu# altas%

0or lo tanto, a# 'ue tener consideracionescon la escala del modelo%


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Efecto de Fallas - Fracturas Estudios a escala de una o unas pocas fracturas

discretas, en 2.;% ;iscontinuidades producen fuertes &ariaciones locales

en magnitud # orientaci$n de esfuerzos%

Dariaciones condicionadas por la geometra de lasdiscontinuidades, su resistencia, &ariaciones dem$dulos elsticos # las razones de esfuerzos (s4s?)%


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9riterios de Falla en Macizos Rocosos

! ba"o esfuerzo, el proceso de falla estfundamentalmente controlado por lacontinuidad # distribuci$n de fracturas

naturales% En alto esfuerzo, la falla se domina por

nue&as fracturas inducidas por losesfuerzos, 'ue crecen paralelas a laeca&aci$n (fractura frgil)%

3i el macizo est fuertemente fracturado,la deformaci$n por altos esfuerzos tiendea ser d*ctil (falla plstica)%


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Efectos del 9am&o

de esfuerzos en la

4eometra de

4aleras


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9riterios de Falla

8riffit Inter9s acad9mico, basete$rica de nue&osmodelos%

Mor.Coulomb F roca intacta macizorocoso

!plicados normalmenteen minera # obrasci&iles en roca%Mor.Coulomb para discontinuidad


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Criterio de Hoe!"ro#n de falla fr$gil(Martin et al%, 4)

0ara roca dura, macizos rocosos masi&os amoderadamente fracturados%

:alla dominada por fracturas inducidas por los

esfuerzos% !sume 'ue en zonas de esfuerzos altos, en la

superficie del t*nel o galera la fricci$n no oponeresistencia, solo la coesi$n del macizo rocoso%

Modelo predice de me"or manera zonas de dao #

sobreeca&aciones%


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Ru&tura a escala de laboratorio

Regi$n I+ Cierremicrofracturas preeistentes

Regi$n II+ Elstico Regi$n III+ Inicio

microfracturamiento, estable%

Regi$n ID+Microfracturamientoinestable, inicio de cizalle engrietas, se dispara densidadfracturas% cdGJ.5N f


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Ensa#os cclicos muestran 'ue el stress de inicio defracturamiento (ci) permanece apro% constante, encambio el stress de dao cddisminu#e asta un &alorumbral a medida 'ue aumenta el dao, medido como elstrain &olum9trico acumulado%

7a ba"a en cdes menor para ma#ores esfuerzosconfinantes%

! medida 'ue aumenta el dao, ba"a el m$dulo de oung# aumenta el m$dulo de 0oisson%


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3e puede matemticamente relacionar elmicrofracturamiento con los parmetros de Mor.Coulomb%

!l alcanzar cdempieza a deslizar% En estadouniaial (?1J), en ese instante la resistencia estdada solo por la coesi$n (3o) tal 'ue 23o 1 cd%

!l aumentar el dao cddisminu#e, por lo tanto la

coesi$n disminu#e mientras la fricci$n se mo&iliza%


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Im&licancias en excavaciones

subterrneas

En zonas de esfuerzos altos, en lasuperficie del t*nel o galera la fricci$n noopone resistencia, solo la coesi$n%

Concentraciones de esfuerzos en ecesode cd&a a causar dao localizado #p9rdida progresi&a de coesi$n del ordende 5JN%

;ao progresi&o puede pro&ocar colapsode la eca&aci$n%


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Colapso de calle, mina El Teniente% 7a altura piso.tecoes de menos de 4 m


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Ru&tura Frgil en Tneles

:ormaci$n de zonas de dao(sobreeca&aciones) de formatriangular (notc)%

:uera de la zona triangular elmacizo mantiene su

integridad% Controlada por la coesi$n

del macizo rocoso% 7a formaci$n de

sobreeca&aciones se genera

cuando el stress tangencialmimo ecede apro% J%6 c%

Indice de ;ao+

;i 1 ma c


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@oe-.


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Ru&tura frgil en t1rminos de criterio

de ;oe.


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'rofundidad de la =ona de 8a>o

7a profundidad de lazona de falla estdada por regresi$n dedatos empricos,

ma1?4.?+

!plicando parmetros

de @oe-.


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E"emplo de mina en Canad con dos distintas geometras+:allamiento frgil predice muco me"or 'ue parmetrosfriccionales de @oe-.


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Estallidos de Roca

Rompimiento descontrolado de rocaasociado a una &iolenta liberaci$nde energa (e&entos ssmicos)%

0or desplazamiento en fallas orompimiento por strain (strainburst)%

3e producen al interior de macizo,pero generan un &iolento dao enlas paredes del t*nel cercano%


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Estallido de rocas

Fuente Ssmica Medio Respuesta Local

DAOS EN

EXCAVACIONESRUPTURA DE

MACIZO ROCOSO

LIBERACION

DE

ENERGIA

EVENTO

SISMICO

ESTALLIDO

DE ROCAS


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Propagacin de ondas en el macizo


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Daos por Estallido de Roca (1991)Estallido de Rocas 0??0 Mina Sub@ El Teniente

excavaciones subterraneas en zonas de altos esfuerzos

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