Stefano Guido – Ingeniero de MinasAndrea Martignoni ‐ Geólogo

MEDIDAS Y MONITOREO DE ESTADO DE ESFUERZO EN SITU. COMPARACIÓN DE VARIAS TÉCNICAS DE ENSAYO. PROS Y CONTRAS EN DIVERSAS 

SITUACIONES Y PROBLEMAS, ELECCIÓN DE LA TÉCNICA DE ENSAYO MÁS ADECUADA

En general, un campo de estado de esfuerzo en la roca in situ puede ser original (no perturbado de forma artificial) o no original (perturbado de forma artificial).Con el atributo “original” se define un campo de esfuerzos que no es perturbado por la excavación o acciones artificiales.

x

zy

D

s =

sxx sxy sxz

syy syzszzsimm. s(x,y,z) =

sxx(x,y,z) sxy(x,y,z) sxz(x,y,z)

syy(x,y,z) syz(x,y,z)szz(x,y,z)simm.

x

zy

En una roca, punto por punto, existe un estado de esfuerzo original (se le dice también natural, o virgen).El conjunto de los estados originales de esfuerzo en un cierto volumen de roca puede ser llamado campo de esfuerzo original.

2

D

No siempre sucede que, cuando se mide el campo de esfuerzos de un cierto dominio de roca o el estado de esfuerzo de un punto en la roca, estos son predecibles a priori sobre la base de simples modelos litostáticos.Sin embargo, se acepta comúnmente que, al menos el componente vertical de la tensión, puede ser en primera aproximación predecible sobre la base litostática.Esta hipótesis está apoyada por observaciones experimentales.En raros casos, hay razones teóricas probadas con medidas que indican tensiones verticales que no sean litostática (caso típico de un fondo de valle).El estado de esfuerzo horizontal es más impredecible que el vertical. a menudo en las rocas es k > 1.

3

En algunos casos, la medida del estado de esfuerzo es indirecta, es decir, más observaciones se obtienen sobre el tensor de esfuerzo existente en un punto de la roca (por ejemplo ensayos de overcoring, test de reapertura en fracturamiento hidráulico, borehole breakouts):

R1 = f1(sxx,sxy,sxz,syy,syz,szz) ...............................................Rn = fn(sxx,sxy,sxz,syy,syz,szz)

donde R1,...Rn son los resultados de n ensayos y f1,... fn son enlaces funcionales que se definen por la teoría interpretativa de las pruebas.

En otros casos, el ensayo mide directamente un componente normal sn del estado de esfuerzo in situ (por ejemplo ensayos de shut-in en el fracturamiento hidráulico, ensayos de hydraulic jacking, HTPF, gato plano):

R = f(sn)

An cada caso los resultados de los ensayos deben ser invertidos para obtener el esfuerzo.

En el primer caso hay que invertir un sistema de N equaciones para obtener el tensor de esfurzos de 6 componientes:

sxx = Fxx(R1, R2, R3, …., Rn)syy = Fyy(R1, R2, R3, …., Rn)……………………………………sxz = Fxz(R1, R2, R3, …., Rn)

En el segundo caso es mas simple, siendo que la inversion es de una ecuacion unica:

sn = F(R)

4

Las tecnicas que se usan mayormente para medir el estado de esfuerzo en roca son dos:

• overcoring triaxial (CSIRO HI Cell)• metodos hidraulicos (HF, HTPF, HJ)

Los metodos de overcoring son limitados a profundidad de 25-30 m.La profundidad de los ensayos hydraulics es virtualmente ilimitatda. Por esta razon los ensayos hydraulicos se usan en lasfases de diseno, cuando hay acceso al subteraneo solamente con sondes profundos.

Ejemplo de medicion en subteraneo – 9 ensayos de Hydrofracturamiento en un sondeo horizontal X1 los barrenos X2 y X3 eran inestables y no accesibles por los ensayos.

5

6

Ejemplo de medicion en subteraneo – un ensayo de overcoring triaxial CSIRO HI Cell + 6 ensayos de Hidrofracturamiento en un sondeo horizontal

7

8

Estado de esfuerzo 2d en el plano pependicular al barreno .

hidrofracturamiento overcoring CSIRO HI Cell.

Ejemplo de medicion en sondeo profundo inclinado – 6 ansayos de Hidrofracturamiento en un sondeo inclinado.

9

20°

+0 m s.l.m.

+350 m s.l.m.

179,

1

213,

7182,

7

194,

0

202,

6

207,

2

HF2HF3

HF5HF8

HF9HF10

m

SONDAG

GIO

SG6

m

m m m m

+325 m s.l.m.

Ejemplo de ensayos deHidrogateo para planta hidroeléctrica subteranea – 39 ensayos en una perforación inclinada

10

El objetivo de una campaña de hidrogateo es determinar la tendencia del esfuerzo mínimo con la distancia de la superficie topográfica Z o Zs,y confrontarla con la presión hidráulica prevista en la chimenea.

No sirve, en este tipo de problema técnico, conocer los otros esfuerzos principales; tampoco sirven las direcciones principales de esfuerzo.

11

12

La tendencia del esfuerzo minimo con la distancia de la superficie topográfica Z o Zses representada por las curvas de color rojo y blu

Desde los anos 1980, en la practica técnica Italiana se ha difundido el uso de algunos ensayos que fueron inicialmente desarrollados para las rocas, para medir el estado de esfuerzo en estructuras de concreto (también concreto reforzado).

Actualmente las técnicas que se han demostrado mas efectivas y eficientes son dos:

• gato plano• overcoring doorstopper

Estas técnicas, superadas por otras mas efectivas y confiables en la medición de esfuerzo en roca (principalmente overcoring triaxial y hidrofracturamiento), se han demostrados muy adecuadas para estructuras de concreto.

Generalmente, en una estructura de concreto, la medición es mas simple que en roca, debido a diferentes hechos:- generalmente la estructura tiene geometría simple y regular- el material concreto es continuo (no es fracturado), es prácticamente isótropo y tiene comportamiento elástico-lineal- el estado de esfuerzo de interés es uniaxial o biaxial, facilitando el uso de las técnicas mas sencillas- la profundidad de la medición es limitada a algunas decenas de centímetros- se usan equipos de perforación muy pequeños

Con estas técnicas la productividad es muy elevada. En un turno diario de trabajo, un equipo de 2 personas puede realizar hasta 10 mediciones de esfuerzo puntuales.

13

Tipico caso es los revestimientos de tuneles. En este caso se hicieron 5 parejas de ensayos de overcoring doorstopper en 8 secciones de tunel para estudir la razon de la ruprura del arco invertido y diseñar una reparación del revestimiento

14

En este caso se hicieron 10 ensayos de overcoring doorstopper (5 parejas de medicione) en 5 diferentes secciones del tunel para estudiar la razon de la ruptura del arco invertido y diseñar una reparación delrevestimiento

Tipico caso es el revestimiento de un tunel.En este ejemplo se investigaron diferentes anillos de revestimiento prefabricado. En cada anillo se ejecutaron 10 ensayos Doorstopper midiendo el esfuerzo en 5 posiciones, al interior y al exterior del espesor del rivestimento.En cada anillo, la 10 mediciones fueron interpoladas por medio de un modelo matematico bidimensional en estado de deformacion plana.

15

Otro caso es la medicion en muros de contencion.

16

Se ejecutaron ensayos de gato plano (MP) y Doorstopper (DS) a diferentes alturas del muro para reconstruir su estado de esfuerzo

En una pared contra-suelo se espera un estado de esfuerzo desigual dentro del espesor; por esa razon se usaron gatos planos poco profundos.

17

Los ensayos fueron interpretados por medio de modeles matemáticos a elementos finitos, obteniendo por back-analysis el estado de esfuerzo del concreto y de los refuerzos metálicos.

18

Mas recien, es la medicion de esfuerzo en el cuerpo de presas de concreto en Italia y en Francia.Es usada la tecnica Doorstopper. Las mediciones se hacen desde los tuneles al interior del cuerpo diga y desde el lado valle de la presa.

19

Tipicamente, los resultados de las mediciones puntuales de esfuerzo son interpetados con modelo matematicos tridimensionales

20

CONFIABILIDAD DE LAS MEDICIONES DE ESFUERZO

Las mediciones de esfuerzo siempre están entre las mas difíciles de la mecánica de rocas.Contrariamente a la mayoría de los ensayos mecánicos estandarizados, en las mediciones de esfuerzo en situ no es suficiente cumplir la sugestiones de los estándares para garantizar un resultado confiable.

Aunque la mayoría de las dificultades se deben a la complejidad de la roca y del estado de esfuerzo existente en unmacizo rocoso fracturado, también en un caso muy simple, por ejemplo una estructura de concreto en estado deesfuerzo uniaxial, la medición de esfuerzo puede ser muy complicada.

Es por eso que, en cada campaña de medición, mucho esfuerzo debe ser dedicado a cuantificar y controlar el grado deprecisión de la medición y la confiabilidad del resultado.

Como hacer este ?

Hay dos maneras:

• donde es posible se pueden ejecutar diferentes mediciones con diferentes técnicas y confrontar los resultados.

• siempre es recomendable conseguir un conjunto de mediciones sobredeterminado, para poder aplicar técnicas estadísticas y cuantificar los intervalos de confianza; sobrederminado significa que el numero de observaciones experimentales es bien mayor del numero de parámetros incognitos que se deven medir

21

En el caso presentado a las paginas 16-18, se pudo efectuar una comparación entre la dos técnicas utilizadas

22

En el ensayo de overcoring Doorstopper el objetivo de una medición de esfuerzo es conseguir el estado de esfuerzo bidimensional del plano perpendicular al barreno, que es definido por 3 componentes.En una celda Doorsopper serian teóricamente bastantes 3 sensores. Pero se usan 4 sensores para aplicar técnicas estadística. El resultado de este son los esfuerzos y sus intervalos de confianza.

23

24

En el ensayo de overcoring CSIRO HI Cell el objetivo de la medición es conseguir el estado de esfuerzo tridimensional, que es definido por 6 componentes. En una celda CSIRO serian teóricamente bastantes 6 sensores. Pero se usan 12 sensores para aplicar técnicas estadística.

25

Con los métodos Hidráulicos, para obtener un control estadístico de la confiabilidad del resultado se ejecutan mas ensayos de lo estrictamente necesario. Por ejemplo, en el caso presentado a la pagina numero 6, se ejecutaron 9 ensayos obteniendo 17 observaciones experimentales para determinar el tensor de esfuerzo 3d, que es caracterizado pro 6 componentes incógnitas.

REFERENCIAS

GATO PLANO

ISRM – Suggested Method for Rock Stress Determination – 1987Suggested Method for Rock Stress Determination using a Flat Jack Technique

ASTM – D4729‐08 – Standard Test Method for In Situ Stress and Modulus of Deformation Using Flatjack Method

OVERCORING CSIRO TRIAXIAL HI‐CELL

ISRM – Suggested Method for Rock Stress Determination – 1987 ‐Suggested Method for Rock Stress Determination using a CSIR‐ or CSIRO‐Type Cell with 9 or 12 Strain Gauges

ISRM – Suggested Method for Rock Stress Estimation – Part 2,  Overcoring Methods, 2003

FRACTURACION HIDRÁULICA, JACKING HIDRÁULICO (HIDROGATEO), ENSAYO HYDRÁULICO DE FRACTURAS PREEXISTENTES

ISRM – Suggested Method for Stress Determination – 1987 ‐ Suggested Method for Rock Stress Determination using the Hydraulic Fracturing Technique

ASTM – D4645‐08 – Standard Test Method for Determination of In‐Situ Stress in Rock Using Hydraulic Fracturing Method.

ISRM – Suggested Method for Rock Stress Estimation – Part 3,  Hydraulic Fracturing (HF) and/or Hydraulic Testing of Fre‐existing Fractures (HTPF), 2003.

OVERCORING DOORSTOPPER

LEEMAN E. R. – The “Doorstopper” and Triaxial Rock Stress Measuring Instruments Developed by the C.S.I.R – Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy – February 1969

LEEMAN E. R. – Experience throughout the world with C.S.I.R. “doorstopper” rock stress measuring equipment – Proc. II Congr. ISRM, 2, pp 149‐426 – 1970

26

GRACIAS POR SU ATENCIÓN!

Stefano Guido – Ingeniero de Minas stefano.guido@sialtec.itAndrea Martignoni ‐ Geólogo andrea.martignoni@sialtec.it