ANÁLISIS DE LA INTERACCIÓN ROCA-SOSTENIMIENTO

LUIS FERNANDO CONTRERAS

VICTOR ARMANDO CUELLO

INTRODUCCIÓN

Se entiende como sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan en una excavación subterránea para contribuir a su estabilización.

El trabajo que debe realizar el sostenimiento esta íntimamente ligado al reajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la realización de la excavación. Por ello, para comprender lo mejor posible el papel que juega el sostenimiento (lo cual es imprescindible para poderlo diseñar adecuadamente) es necesario tener muy claro como se desarrolla el reajuste tensional inmediatamente después de realizar una excavación subterránea.

Objeto del sostenimiento Tiene por objeto mantener abierto ciertos espacios de

la mina y crear ambientes de condiciones seguras que protejan a los mineros en sus diferentes actividades .

Clases de terrenos1. Terrenos Masivos Son aquellos que presentan

una estructura uniforme, es decir que no tiene fracturas o partes descompuestas y que además tiene una dureza uniforme.

2. Terrenos Fracturados Se llama así a los terrenos a los terrenos que

presentan una serie de planos discontinuos , como en el caso de una estratificación de las rocas sedimentarias. Ejemplo: Areniscas, Calizas, y Pizarras.

3. Terrenos Empanizados Son terrenos que presentan zonas de panizo entre dos

capas de terrenos consistentes

4. Terrenos Sueltos Son los tipos de terrenos que no presentan consistencia

alguna , teniéndose que enmaderar las labores inmediatamente que se abren , para impedir derrumbes , también se les llama terrenos molidos , pues no se encuentran con frecuencia piezas grandes.

5. Terrenos Arcillosos Constituidos por rocas casi plásticas que se deforman

bajo una fuerte presión la mayor o menor plasticidad depende del contenido de agua y la proporción de arcilla , es una variedad también de los comúnmente conocidos como terrenos empanizados ejemplo: arcillas , o panizos , pizarras arcillosas.

CRITERIO DE MOHR-COULOMB

La teoría de Mohr-Coulomb es un modelo matemático que describe la respuesta de materiales quebradizos, tales como hormigón, o agregados de partículas como el suelo, a esfuerzo cortante, así como tensión normal. La mayoría de los materiales en ingeniería clásica se comportan siguiendo esta teoría al menos en una parte del corte. En general, la teoría se aplica a los materiales para los que la resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la tracción, caso de los materiales cerámicos. La teoría explica que el corte de un material se produce para una combinación entre tensión normal y tensión tangencial, y que cuanto mayor sea la tensión normal, mayor será la tensión tangencial necesaria para cortar el material.

CRITERIO DE ROTURA DE HOEK & BROWN El criterio de rotura de Hoek&Brown su

versión original fue introducida en el 1980 (Hoek y Brown) desde entonces su uso se ha generalizado en el ámbito de la mecánica de rocas, traspasando los límites para los que fue propuesto ( cálculo de la estabilidad en taludes y estados tensionales en el entorno de un túnel, para macizos rocosos duros).

Se trata de un criterio no lineal, puramente empírico, que permite valorar, de manera sencilla, la rotura de un medio rocoso mediante la introducción de las principales características geológicas y geotécnicas.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA EXCAVACIÓN.

El método de curvas caracteristicas, también denominado convergencia-confinamiento, Panet(1985), permite superar algunas de las deficiencias que presenta la aproximacion mediante las clasificaciones geomecanicas.

La curva característica de una excavación se puede definir como la representación grafica de la relación entre la presión radial aplicada en el perímetro de la excavación y el desplazamiento radial del perímetro al estabilizarse la excavación.

PARA ACERAR EL PROCESO DE DETERMINACIONES DE LAS CURVAS CARACTERISTICAS TANTO DE LA EXCAVACIÓN COMO DEL SOSTENIMIENTO SE PUEDE UTILIZAR UN SOFTWARE LLAMADO FLAC EL CUAL DETERMINA LAS CURVAS PARA CINCO VALORES DE

FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) es un poderoso programa de modelamiento en dos dimensiones continuo, para suelos, rocas y comportamiento estructural. Usado interactivamente o en modo batch, es una herramienta de diseño y análisis general para ingenieros geotécnicos, civiles y de minas, que puede ser aplicada a una amplia variedad de problemas en estudios de ingeniería.

CURVAS CARACTERISTICAS DEL SOSTENIMIENTO.

Habitualmente, los elementos de sostenimiento que se colocan en un tunel no llegan a plastificarse. Por ello la curva caracteristica del sostenimiento se suele asimilar a una linea recta.

CALCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD

Una ves que se ha calculado la curva característica de la excavación y la del sostenimiento, se puede calcular el punto de equilibrio superponiendo ambas curvas:

En esencia, las ideas fundamentales o generalidades para métodos de sostenimientos son las siguientes:

• La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el principal elemento del que depende ésta. Es decir, es lapropia roca la que se autosostiene, ya que se forma un arco de descarga entorno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados de éste.

• Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las características de la roca que rodea al túnel. Para ello es beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o, en su defecto, técnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte,...

• Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea altúnel, se deben diseñar los túneles con formas redondeadas, evitando lospuntos angulosos.

• El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno siempre dentro de la estabilidad del túnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la excavación.

• En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que aporta la instrumentación del túnel.

• Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al túnel. Más adelante, en función de otros factores, tales como presencia de agua u otros factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado.

Los elementos generalmente usados para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas en roca son:

• El hormigón lanzado• Pernos de Anclaje• Cerchas Metálicas

Además de estos dos elementos se usan otros en algunas circunstancias, especialmente cuando se trata de atravesar zonas de roca de mala calidad:• Los paraguas o enfilajes• Chapas tipo Bernold• Otros tratamientos especiales: inyecciones, drenajes, etc.. .

A continuación, de forma resumida, se señalan algunas de las acciones más importantes de cada uno de los elementos estructurales para sostenimiento de los túneles:

HORMIGON PROYECTADO

El hormigón proyectado (también llamado gunita) es el hormigón que secoloca mediante proyección del mismo contra la superficie de roca que se desea proteger, de forma que queda adherido a ésta. El hormigón proyectado se diferencia únicamente del hormigón colocado (encofrado y vibrado), aparte del método de puesta en obra, en que el tamaño máximo de los áridos es menor y en que lleva siempre, como aditivo, unacelerante para facilitar su adherencia a la superficie de roca y para conseguir altas resistencias iniciales.

Los materiales de que consta el hormigón proyectado son los siguientes:

• Cemento• Aridos• Agua• Aditivos: acelerantes, etc.• Armadura de refuerzo: mallazo o fibra.

• CEMENTO: El cemento que se emplea para el hormigón proyectado puede ser el mismo que cualquiera de los que se usan para el hormigón convencional. Se deben cumplir ciertasespecificaciones y además se recomienda cumplir las siguientes características:

• Principio de fraguado: 1.5 a 4 horas.

• Finura de molido: 3500 a 4500 cm2/gr.

• Resistencia a Compresión Simple: según la tabla 7.1.

• Contenido en aluminato tricálcico: <3%, si el contenido en sulfatos del agua es >400 mg/l, o tan bajo como sea posible, si es mayor de 1000 mg/l.

• Temperatura de almacenamiento: ~70°C.

El contenido típico de cemento oscila entre los 300 y los 450 Kg/m3.

• ARIDOS: El tamaño máximo del árido a 8 mm en hormigón por vía húmeda y 16mm (recomendable 12 mm) para el hormigón por vía seca. Actualmente la tendencia esno superar los 8-10 mm (tamaño máximo del árido).Experimentalmente se comprueba que las características del hormigón proyectado mejoran si se consigue una granulometría de áridos continua

Las distintas normativas nacionales ofrecen husos similares (DIN1045 alemana, AFTES francesa, Comité 506 de la ACI (USA)), de los que se han extraído los que se muestran en la tabla 7.2 y en las figuras 7.1, 7.2 y 7.3, para los casos de 16mm, 12mm y 8mm, respectivamente, de tamaño máximo del árido. Para otros valores puede interpolarse linealmente entre los husos dados.

• AGUA: En general son válidas las aguas sancionadas por la práctica y aquéllas con bajo contenido en sales y sustancias orgánicas.

• ADITIVOS: Los principales aditivos que pueden usarse en el hormigón proyectado son los acelerantes, las cenizas volantes y el humo de sílice.

PUESTA EN OBRA: Existen dos métodos para la puesta en obra del hormigón proyectado: por vía húmeda y por vía seca.

El funcionamiento de cada uno es como sigue

1. VIA SECA:

2. VIA HUMEDA:

PERNOS DE ANCLAJE

Conceptualmente, un anclaje es un elemento estructural instalado en suelo o roca y que se utiliza para transmitir al terreno una carga de tracción aplicada. En excavaciones grandes o en taludes naturales las retenciones flexibles logran su estabilidad generalmente con anclajes en suelo. Cuando los materiales involucrados son rocas, sobre las cuales se implantan estructuras que están sometidas a tracción, ó se trata de mejorar el comportamiento de un talud frente a la posibilidad de un derrumbe o un deslizamiento losanclajes serán anclajes en roca.

Por lo tanto el mecanismo básico de un anclaje consiste en transferir las fuerzas de tracción que se generan en las inclusiones, hacia el suelo o la roca a través de la resistencia movilizada en la interface entre el anclaje y el material que lo rodea (raíz).

• COMPONENTES DE UN ANCLAJE

Los anclajes están compuestos básicamente por:

· La cabeza del anclaje· Tendón (Longitud libre).· Raíz (Longitud de adherencia)

Por su forma de actuar, existen en principio DOS tipos de pernos:

1. Los activos: Este funciona como un anclaje, está unido a la roca por la punta, tiene un fuste libre y una cabeza con placa.

2. Los pasivos: Este perno por el contrario, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa de forma similar a las armaduras del hormigón: sólo entra en carga cuando la roca se deforma y arrastra con ella al bulón. Teóricamente no es necesario el uso de placa, aunque se suele poner para sujetar al mallazo, si éste existe.

• TIPOS DE ANCLAJES

Existen tres tipos principales de anclajes:

1. Anclajes inyectados a gravedad.2. Anclajes inyectados a presión.3. Anclajes post-inyectados.

MARCOS DE ACERO (CERCHAS)

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen unamisión resistente de por sí y fundamentalmente en unión al hormigón proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar su colocación. Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas barras de acero de unión, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de todas las cerchas trabaje solidariamente.

En construcción de túneles se usan normalmente tres tipos de cerchas:

1. Cerchas TH2. Cerchas HEB3. Cerchas Reticulares

GRACIAS