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
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