INTRODUCCIN
El siguiente trabajo se enfoca en la importancia del estudio de los macizos rocosos para la construccin de obras de ingeniera en roca (carreteras, tneles, minera, etc.). Tomando en cuenta que al cortar una roca, esta se desestabiliza, se debe tener claro como est el macizo rocoso y sus fallas, fracturas y tipo de fracturas para determinar cmo ser el movimiento de estas cuando se empiece a trabajar y prevenir cualquier incidente.Se har el anlisis de cuas entendiendo cuales y cuantos son los planos de discontinuidades necesarios para que se produzca la falla, si esta caer por gravedad, o deslizamiento en techo, hastiales y frente del tnel.Se representarn mediante unos software que nos permitirn modelar la situacin para el anlisis de discontinuidades dentro de un tnel, con la finalidad de analizar el comportamiento de estas para luego dar una solucin de sostenimiento que nos asegure la estabilidad de la falla. Las fallas en las rocas se producen porlos procesos naturales de movimientos de placas tectnicas, este tipo de anlisis permite conocer como estos movimientos han afectado la estabilidad de la roca y la presin que se genera en ellas antes de empezar a construir.
Modelos de falla del macizo rocoso.Para entender la tctica de las fallas en rocas, nos introducimos al conocimiento del comportamiento de un talud conociendo la caractersticas geomecnicas del terreno, as como los posibles mecanismos de rotura.
Falla PlanaSe concibe como falla plana o rotura planar, aquella en que el deslizamiento se produce a travs de una nica superficie plana, esta es la ms sencilla de las formas de rotura y ocurre cuando se produce una fracturacin dominante en la roca y convenientemente orientada respecto al talud.Se representa en la figura el deslizamiento cuando el rumbo de la familia de discontinuidades es similar al del talud y su buzamiento menor que este.
Falla por toppling o vuelcos de estratosEsta rotura se produce debido a la existencia de un conjunto de fracturas paralelas o subparalelas y otro conjunto perpendicular o subperpendicular. Estas estructuras forman bloques los cuales pierden la adhesin a la matriz y pueden rotar por sobre la base por efectos de la gravedad. Se distinguen dos procesos:a) Vuelco por flexinTiene lugar en rocas con un sistema preferente de discontinuidades, formando vigas semi-continuas en voladizo. Las columnas continuas cuando se doblan hacia delante, rompen por flexin. Este tipo de movimiento es caracterstico en esquistos, filitas, pizarras y en secuencias finamente estratificadas.
b) Desplome:La parte movida cae con un movimiento brusco de giro, al menos inicial, apoyado en su base externa. Estos movimientos se producen en bordes acantilados rocosos o de materiales areno-arcillosos compactados. Si la ladera es empinada, las roturas por vuelco pueden transformarse en cadas.
Mtodo GSI, determinacin de la calidad de la roca.
El sistema ndice Geolgico de Resistencia (GSI, Geological Strength Index) y su uso en el criterio de falla de Hoek-Brown ha sido presentado en diversos artculos por Hoek (1994), Hoek et al. (1995) y Hoek-Brown (1997), asociado a macizos de roca dura y equivalente al sistema RMR. A partir de 1998 a la fecha se ha desarrollado el sistema GSI con el objetivo de incluir macizos rocosos de mala calidad (Hoek et al., 1998; Marinos y Hoek, 2000 y 2001).
El GSI proporciona un sistema para estimar la disminucin de la resistencia que presentara un macizo rocoso con diferentes condiciones geolgicas y se obtiene de la combinacin de 2 parmetros geolgicos fundamentales, la estructura del macizo rocoso y la condicin de las discontinuidades. En la prctica, es usual definir el GSI en rangos de 15 puntos. La clasificacin se hace segn el siguiente criterio:
Clasificacin segn GSI.
La caracterizacin del macizo rocoso es simple y est basada en la impresin visual de la estructura rocosa, en trminos de bloques y de la condicin superficial de las discontinuidades indicadas por la rugosidad y alteracin de las juntas. La combinacin de estos dos parmetros proporciona una base prctica para describir un rango amplio de tipos de macizos rocosos.
La determinacin de los parmetros del GSI se basa en las descripciones de la calidad del macizo rocoso en lugar de formular datos de entrada cuantitativos como en los sistemas RMR, Q y RMi. El GSI es principalmente til para macizos rocoso ms blandos con RMR menor a 20.
Anlisis de estabilidad para cuasEste anlisis fue propuesto por Hoek y Bray en el ao 1981, en el cual por medio de la definicin de relaciones angulares de las lneas de interseccin de todos los planos que delimitan la cua respecto al balance de fuerzas que actan sobre ellas. Por lo tanto podemos decir que una rotura en cua es un tipo de deslizamiento traslacional que est controlado por dos o ms discontinuidades, los cuales se dan en macizos rocosos resistentes y con discontinuidades bien marcadas.
Figura 1Para que se produzca el deslizamiento de la cua es necesario que la lnea de interseccin de los dos planos de discontinuidades tenga menor inclinacin que el plano del talud.
En caso de los tneles para que se forme un bloque inestable que pueda caer al interior de la excavacin debe haber como mnimo 3 planos de discontinuidad.
Figura 2El tamao de una cua est definido por la distancia entre la cresta del talud a la lnea de interseccin de los planos.
El factor de seguridad en las roturas est determinado por las fuerzas que se oponen al deslizamiento y las que empujan a dichas fallas para que deslicen. Dentro de este punto podemos encontrar fuerzas resistentes como cohesin y friccin, en cambio como fuerzas solicitantes encontramos peso propio, empuje del agua, esfuerzos ssmicos, etc.
Como estas fallas estn compuestas de varios planos las componentes resistentes de cada plano acta de forma independiente, de esta misma forma los empujes del agua actuaran de forma distinta en cada plano.
En la siguiente imagen se presentan las fuerzas solicitantes y resistentes que actan en una cua.
Figura 3
H0 tensin horizontal mediaN componente de H0 normal a los planos de discontinuidadS componente de H0 normal a los planos de discontinuidad; S NtanP resultante vertical de las fuerzas inducidas en la cua
Procedimiento para la comprobacin de la estabilidad de cuas
Este procedimiento se basa a partir de lo presentado por Hoek-Brown, en el cual considera juntas planas infinitas que deslizan bajo el efecto de la gravedad sin considerar la rotacin.
1. Caracterizacin geomtrica de las familias de discontinuidades (programaDIPS)
2. Caracterizacin de la resistencia al corte de las discontinuidades.
3. Identificacin de las cuas potenciales susceptibles de caer por gravedad o deslizar en techo, hastiales y frente de tnel (programa UNWEDGE)
4. Clculo del FS de las cuas sin sostenimiento.
5. Comprobacin de la cuanta de sostenimiento necesario para subir el FS de cada cua hasta un valor aceptable.
Para el primer paso se debe realizar una proyeccin de los planos de rotura de forma estereogrfica en el cual podremos realizar una representacin de las discontinuidades del macizo.
Figura 4Estas proyecciones de las discontinuidades se realizan en una superficie de dos dimensiones en las cuales se representa un objeto tridimensional. La representacin puede ser de forma lineal, angular y superficial. Para realizar estas proyecciones se debe definir un plano ecuatorial que pasara por el centro de la esfera. El procedimiento consta de trazar un plano estructural inclinado en donde su prolongacin cortara la esfera en el crculo mximo. Luego de esto proyectaremos todos los puntos de la parte inferior del crculo mximo al plano horizontal mediante el punto cenital P (Figura 4), lo que nos entregara finalmente el arco deseado.
Figura 5
Estas proyecciones son de gran utilidad ya que ayudan a resolver problemas en geologa estructural en las que pueden demostrarse fcilmente en relacin con las estructuras reales mostradas.
Esta proyeccin conversa las magnitudes de los ngulos de proyeccin verdades y por esto se le denomina proyeccin equiangular.Para trabajar estas proyecciones se necesita saber con precisin los trminos geomtricos de cada elemento, principalmente su orientacin. La orientacin se define como la posicin de un plano o lnea en el espacio, respecto de las coordenadas geogrficas y de su relacin con el plano horizontal. A partir de lo anterior debemos saber elementos como el rumbo y la inclinacin, las cuales se definen de la siguiente manera:
Inclinacin: Angulo vertical comprendido entre la horizontal y el plano o lnea considerado.
Rumbo o direccin: Angulo horizontal comprendido entre una lnea y una direccin preestablecida, el norte magntico en geologa estructural.
Figura 6
Pasos para una proyeccin Estereogrfica
Todos estos pasos para crear la representacin estereogrfica sern mediante el programa DIPS.
Una vez obtenidos estos datos deberemos analizar posibles zonas de falla, lo que ser realizado mediante el programa UNWEDGE el cual simulara las proyecciones de todas las discontinuidades a fin de determinar posibles cuas que se podrn formar.
Sabiendo y pudiendo observar las posibles cuas generadas podremos determinar el factor de seguridad que presenta cada una de estas posibles fallas y su riesgo a un posible desprendimiento. Este factor de seguridad lo entregara el programa una vez aadidos a l todos los parmetros del suelo tanto resistentes como solicitantes que harn que la cua sea estable o inestable.
A partir del factor de seguridad entregado se podr determinar el procedimiento a seguir que puede ser realizar un sostenimiento a la cua para que de esta forma aumente el factor de seguridad o inducir la falla de la cua. Otro parmetro que har determinar la solucin ser el tamao de la cua ya que si es pequea en esta se podr inducir la falla sin provocar mayores problemas.
Sostenimiento.El sostenimiento es un mecanismo que permite entregarle estabilidad a una excavacin al momento de avanzar en la construccin de esta, adems debe entregar seguridad a la estructura hasta que se realice la colocacin del revestimiento definitivo, en el caso que este exista, sino deber considerarse como definitivo.Al ver los mtodos convencionales de ejecucin, es comn utilizar un sostenimiento que confine el terreno con la finalidad de conseguir que actu la capacidad portante del terreno. De acuerdo a las caractersticas de este la deformacin que se producir puede condicionar la estabilidad de la excavacin, es por esto que se deben considerar y limitar las deformaciones mximas cuando aparezcan.Los elementos que ayudan al sostenimiento pueden ser variados, los cuales se pueden utilizar de forma individual como en conjunto, esto depender de las caractersticas del terreno (capacidad portante, rigidez) como tambin el costo y facilidad en la ejecucin del sistema a eleccin.Cabe mencionar que es de suma importancia que los elementos a utilizar sean fciles y los ms adecuados al caso para que as la excavacin permanezca el menor tiempo posible sin mantenimiento. Adems al momento de elegir el sostenimiento hay que tener en consideracin la seguridad del personal ya que puede ocurrir algn problema de estabilidad con la excavacin que esta sin sostener.A continuacin se detallaran los sistemas de sostenimiento con sus respectivas caractersticas.
Bulones:
Este sistema permite que la roca trabaje de mejor manera ya que cosen los planos produciendo que el macizo rocoso se comporte homogneamente, es por esto que son de gran utilidad para sujetar masas individualizadas por discontinuidades del macizo.
Entre ms competente es la roca, menos costara la perforacin para los bulones, adems si la fractura no es muy repetitiva las cuantas que se requerirn sern ms ligeras. Pero si la roca es de mala calidad, es decir, posee una excesiva fracturacin y/o meteorizacin los bulones no sern suficientes, debido a que la perforacin de la roca ser de mayor dificultad requiriendo mtodos adicionales como por ejemplo mortero o lechada para el sostenimiento de la estructura.
La longitud de este sistema est condicionada por la excavacin a realizar y por la maquinas disponibles. Pero en tneles normalmente se utilizan largos de 4 [m] y en casos especiales bulones de 6 [m].Los bulones en tneles a menudo suelen ser pasivos y de diferentes materiales como por ejemplo metlicos, fibra de vidrio, etc. y anclajes como resinas, lechadas de cemento, etc. Adems de ser fciles e colocar y rpidos.
Ttulo. Perforacin bulones.Fuentes.http://www.balzola.com/archivos/36_5.jpg.
Anclajes:Cuando se requieren longitudes de anclajes mayores a las mximas posibles por barra de bulones o se requieran anclajes activos se dar paso a utilizar cables o barras especiales, de forma de similar los utilizados en muros anclados o taludes.Como este mecanismo posee una difcil ejecucin, esta solucin solo ser aplicable en zonas puntuales de especial complejidad y cuando no se encuentren otras soluciones ms ptimas.
Ttulo. Anclajes.Fuentes.http://civilgeeks.com/wp-content/uploads/2011/10/83.jpg.
Hormign proyectado:El hormign proyectado es un elemento fcil de utilizar y rpido, el cual sirve para diversas situaciones.Funciona como un recubrimiento de hormign que se coloca sobre la roca modelndose a la forma que esta posee, entregndole un confinamiento al terreno, su funcin principal es sujetar pequeos bloques de roca y evitar la degradacin del terreno.Si es considerado como un elemento estructural como un arco se deber utilizar de forma conjunta con cerchas metlicas.Cabe destacar que el hormign proyectado puede trabajar con otros mecanismos como lo son mallas metlicas o fibras.
Ttulo. Hormign proyectado.Fuentes.http://civilgeeks.com/wp-content/uploads/2011/10/83.jpg.
Hormign encofrado:Cuando se requieren grandes espesores de hormign es comn utilizar hormign encofrado en vez de proyectado. Para esta solucin se requiere que la excavacin sea estable mientras se realizan los trabajos de saneamiento, encofrado y hormigonado.Este mecanismo posee algunos inconvenientes como por ejemplo la posibilidad de dejar huecos en la bveda, producir abundantes juntas transversales y por ultimo ser un sistema lento en su ejecucin.
Ttulo. Hormign encofrado.Fuentes.http://tierraminera.files.wordpress.com/2011/02/dscn4780.jpg.
Cerchas:Son elementos que incorporan un soporte al terreno desde que son colocadas a la excavacin, al ocuparlas con hormign proyectado proporcionan un armado al sistema.Es un mecanismo de gran utilidad que posee una serie de ventajas como asegurar la forma del tnel, facilitar la ejecucin de la obra y potenciar una defensa en el frente ante cadas del techo.Como desventaja se encuentra el tiempo que se requiere para la instalacin de la cercha, es por esto que previamente se debe asegurar el techo con un sellado de hormign proyectado o bulones, para evitar daos en loe equipos a utilizar.
Ttulo. Cerchas.Fuentes.Ppt clase 4 tneles.
Solera provisional y contrabveda:Cuando estamos en presencia de un terreno que empuja el sobre el sostenimiento y este soporta grandes esfuerzos horizontales como verticales puede ser necesario cerrar por abajo, para que as la estructura pueda resistir.El sostenimiento y revestimiento a utilizar son arcos que deben estar apoyados de tal forma que no se mueva verticalmente como horizontalmente.Su mayor ventaja es que evita la degradacin del terreno en la solera por el paso de vehculos y agua como tambin evitar la degradacin en la zona de apoyo de los hastiales.
Ttulo. Sistema solera y contrabveda.Fuentes.http://www.diariosur.es/noticias/201010/22/Media/metro-611x408.jpg.
Paraguas:Cuando estamos en presencia de excavaciones muy inestables se puede utilizar este mecanismo, el cual consiste en la colocacin de barras o tubos en una perforacin realizada previamente de forma horizontal alrededor de la seccin del tnel a excavar.De acuerdo a las cargas que se requieran sujetar se dar paso a la utilizacin de elementos ms o menos resistentes, pero siempre debern trabajar como vigas bi- apoyadas, para lograr esto se deber colocar una cercha bajo el extremo del pilote que est a la vista, para que as trabajen de forma conjunta.
Ttulo. Paragua micropilote.http://www.balzola.com/es/Referencias/Obra%20civil/T%C3%BAneles/T%C3%BAnel%20de%20Marrozos.htmlSoftware
Anlisis de datos con programa RocPlane
Cohesin: 1 [t/m2]Angulo de friccin: 33
Geometra del macizo
Ingreso de Datos:
Calculo del Factor de Seguridad
Fuerzas resistentes/ Fuerzas Solicitantes
Modo de Falla
Para ver la falla, lo nico que hicimos fue cambiar el ngulo de la fisura plana.
Falla de Cuas.
Modelamos un tunel de dimensiones 9,5m con galibo de 5 m y altura mxima de 6,5 m, consideramos una cohesin de 8 t/m2 con un ngulo de friccin de 35. Densidad de la roca 2,8 t/m3 de lo cual obtuvimos:
Proyeccin Estereogrfica
Vista de las Cuas
Soluciones
a) Tenemos cuatro cuas de las cuales tres son estables, solo nos aproblema la cua que se encuentra en la parte superior del tnel que pesa 4,8 ton, con lo que la primera solucin sera inducir su cada por gravedad.b) Se utilizar shotcret con un espesor de 2 cm con lo que obtendremos un F.S: 13,182, dejando la cua estable.
c) Se utilizarn bulones de 2 m de longitus, separados a 1,5 m
CONCLUSIN
La mecnica de rocas se encarga del estudio terico y practico de las propiedades y comportamientos mecnico de los materiales rocosos y de su respuesta ante la accin de fuerzas aplicadas en su entorno fsico.
La finalidad de la mecnica de rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuacin de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos. Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones inciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformndose y/o rompindose.
La finalidad de este informe es comprender los distintos tipos de fallas que ocurren en el macizo y su comportamiento frente a distintos esfuerzos.
Mediante software hemos diseado un tnel con distintos parmetros los cuales nos han dado distintas cuas dentro del macizo, obteniendo sus factores de seguridad, pesos y viendo cual de todas ellas falla.
Dilucidamos las distintas soluciones que podemos hacer constructivamente, las cuales se detallaron en cada anlisis, de aqu se debe tomar la solucin ms econmica, ya que todas son efectivas, pues aumentan el factor de seguridad y estabilizan la falla.
