CONSULTEC INGENIEROSCONSULTEC INGENIEROSCONSULTORIA Y TECNOLOGIA INGENIEROS SRLCONSULTORIA Y TECNOLOGIA INGENIEROS SRL

GEOMECANICA APLICADA A LA EXCAVACION DE CHIMENEAS

ING° MIGUEL A. BERROCAL MALLQUI

29 de enero del 2004

I. ESFUERZOSI. ESFUERZOS

Toda forma o tipo de excavación subterránea en un macizo rocoso esta sometida a esfuerzos de diferentes direcciones los cuales los mas representativos son:Esfuerzo vertical; σV, (eje Z)Esfuerzo horizontal; σH, (eje X) Esfuerzo horizontal; σH, (eje Y), el eje Y,

coincide con el eje de la excavación. (Fig.: 1,2)

ESFUERZOS EN EXCAVACIONES HORIZONTALESσv(Z)

σH(Y)

σH(X)

Fig.: 1

ESFUERZOS EN EXCAVACIONES VERTICALES

σH(X)

σH(Y)

σv(Z)

CHIMENEA IDEALIZADA

Fig.: 2

PRESIPRESIÓÓN EN LAS EXCAVACIONESN EN LAS EXCAVACIONES

Un ejemplo práctico y sencillo es el siguiente:En una masa de arcilla húmeda realizamos un agujero.El agujero soportará presiones en todo el contorno principalmente en la parte superior.Por efecto de estas presiones en algún tiempocerrarán el agujero realizado.De igual manera este efecto se produce en las excavaciones que realizamos ya sean en terrenos plásticos, elásticos, etc. (Figs.: 3 y 4)

RELACION: ORIFICIO / PRESIONES

ARCILLA

ORIFICIO

ESFUERZOS

Fig.:3

RELACION: ORIFICIO / PRESIONES

ARCILLA

ORIFICIOESFUERZOS

VISTA PLANTA

Fig.:4

ROCA PLASTICA (PANIZO) EN UNA ROCA PLASTICA (PANIZO) EN UNA EXCAVACION SUBTERRANEAEXCAVACION SUBTERRANEA Foto N° 1

FORMA IDEAL DE UNA FORMA IDEAL DE UNA EXCAVACIEXCAVACIÓÓN CUALQUIERAN CUALQUIERA

( roca masiva)( roca masiva)

Se comenta que la mejor forma de la excavación que otorga buena estabilidad es la forma redonda o circular, citamos a continuación algunos conceptos:Si queremos romper una piedra redonda con una comba, u otra herramienta esta no se quebrará fácilmente.En cambio, si queremos quebrar una piedra cuadrada plana, ésta se romperá muy fácil.

EJEMPLO DE PRESIONES EN ROCAEJEMPLO DE PRESIONES EN ROCASupongamos que tenemos un canal con agua quediscurre lentamente y si en ese canal colocamos una piedra cuadrada; en el gráfico la dirección de las corrientes están representadas por flechas, entonces:

Las corrientes chocan con el obstáculo cuadradoy cambian de dirección bruscamente.Esas corrientes que representan a las presiones enuna excavación, se estabilizarán desordenadamente(Fig.:5)

Fig.: 5

RELACION: CORRIENTE DE AGUA / PIEDRA CUADRADA

PIEDRA CUADRADA

CORRIENTES DE AGUA

DIRECCION DEL FLUJO INALTERADO ANALOGA A LA DIRECCION DEL CAMPO INDUCIDO

Zona de amontonamiento de líneas de flujo.

BORDE DEL CANAL

EJEMPLO DE PRESIONES EN ROCAEJEMPLO DE PRESIONES EN ROCA

La piedra cuadrada por el efecto de las corrientes cambia de forma cuadrada a redonda.Se observa que el agua discurre suavemente, sin impactar fuertemente en ningún contorno de la piedra redonda, sin embargo se nota cambios de rumbo de las “líneas de agua”, en mas ó menos 3 diámetros, lo mismo sucede en las aberturas que se realizan en el macizo rocoso. (Fig.: 6)

Fig.: 6

RELACION: CORRIENTE DE AGUA / PIEDRA REDONDA

PIEDRA REDONDA

CORRIENTES DE AGUABORDE DEL CANAL

Zona aproximadamente tres veces el diámetro del obstáculo, fuera de esta

ocurren deflexiones Insignificantes del flujo.

Fig.: 7

RELACION: CORRIENTE DE AGUA / EXCAVACIÓN (TUNEL)

(TUNEL)

CORRIENTES DE AGUA

Zona aproximadamente tres veces el diámetro del obstáculo, fuera de esta

ocurren deflexiones Insignificantes del flujo.

( C0NTORNO DEL MACIZO ROCOSO )

BORDE DEL CANAL

Fig.: 8

RELACION: ESFUERZOS / TUNEL

TUNEL

ESFUERZOSC0NTORNO DEL

MACIZO ROCOSO

Zona aproximadamente tres veces el diámetro del obstáculo, fuera de esta

ocurren deflexiones Insignificantes del flujo.

FORMA IDEAL DE UNA FORMA IDEAL DE UNA EXCAVACIEXCAVACIÓÓN CUALQUIERAN CUALQUIERA

De lo enunciado anteriormente, podemos deducir aparentemente que la mejor forma de excavación en roca masiva es la forma circular.

En excavaciones horizontales.En excavaciones verticales.En excavaciones inclinadas.

II.II.-- ANALISIS DE LA FORMA DE SECCIANALISIS DE LA FORMA DE SECCIÓÓN N CIRCULAR EN UNA EXCAVACIONCIRCULAR EN UNA EXCAVACION

Hasta este momento; vemos que la sección circular es la mas ideal para soportar las presiones. Esta teoría podría ser aceptable cuando en el macizo rocoso los esfuerzos ó presiones ejercidas en la excavación son de igual magnitud; pero en realidad el comportamiento de las presiones en el macizo rocoso son diferentes, es decir los esfuerzos varían considerablemente tanto en dirección y magnitud en la excavación realizada.

ORIENTACION DE LA FORMA DE LA SECCION DE ORIENTACION DE LA FORMA DE LA SECCION DE ACUERDO A LAS PRESIONES EJERCIDASACUERDO A LAS PRESIONES EJERCIDAS

Por lo tanto es necesario “acomodar”, la forma ó sección de la abertura de acuerdo al carácter de las tensiones presentes en el macizo rocoso.Y para ello se debería deberíamos en primera instancia evaluar IN SITU las presiones ejercidas en una excavación cualquiera.

ORIENTACION DE LA FORMA DE LA SECCION DE ORIENTACION DE LA FORMA DE LA SECCION DE ACUERDO A LAS PRESIONES EJERCIDASACUERDO A LAS PRESIONES EJERCIDAS

Los ejemplos de la analogía de corrientes de agua y tensiones en el macizo rocoso, “prensa mecánica”, taladros disparados; que a continuación se exponen nos darán una idea practica preliminar; donde nos permite ubicar las tensiones principales mayores y menores.

EJEMPLO DE LAS PRESIONES CON EJEMPLO DE LAS PRESIONES CON LA PRENSA MECANICALA PRENSA MECANICA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

MUELA FIJA

MUELA MOVIBLE

CORTE

DIRECCION DE CORTE

EL CORTE NO SE REALIZA

Fig.: 9

EJEMPLO DE LAS PRESIONES CON EJEMPLO DE LAS PRESIONES CON LA PRENSA MECANICALA PRENSA MECANICA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

MUELA FIJA

MUELA MOVIBLE

CORTE

DIRECCION DE CORTE

EL CORTE SI SE REALIZA

Fig.:10

MECANISMO DE ROTURAMECANISMO DE ROTURA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE CORTE FAVORABLE

ESFUERZO DE TRACCION

Fig.: 11

RIESGOS DE LA EXCAVACION, ACORDE A RIESGOS DE LA EXCAVACION, ACORDE A LA PRESION EJERCIDALA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

DIRECCION DE LA PRESION EJERCIDA

MUELA FIJA

MUELA MOVIBLE

+/- RIESGO

> RIESGO

< RIESGOFig.:12

REPRESENTACION IDEALIZADA DEL FRACTURAMIENTO REPRESENTACION IDEALIZADA DEL FRACTURAMIENTO PRODUCIDO POR LA EXPLOSION EN UN TALADROPRODUCIDO POR LA EXPLOSION EN UN TALADRO

LAS FISURAS DE MAYOR LONGITUD TIENDEN EN LA DIRECCION DEL ESFUERZO PRINCIPAL MAYOR EN EL MACIZO ROCOSO.

σ1 σ1

Fig.: 13

FISURAS ALREDEDOR DE UN TALADRO FISURAS ALREDEDOR DE UN TALADRO POR EFECTO DE LA VOLADURAPOR EFECTO DE LA VOLADURA Foto N° 2

FORMAS O SECCION DE LA FORMAS O SECCION DE LA EXCAVACIEXCAVACIÓÓN EN ROCA MASIVAN EN ROCA MASIVA

De lo expuesto, se deduce que la forma ó sección correcta de las excavaciones horizontales tenderá a la figura geométrica condicionado por los esfuerzos principales presentes en el macizo rocoso, donde:

Si el esfuerzo principal es vertical, sección de tipo baúl.Si el esfuerzo principal es horizontal, se aconseja la forma de herradura.Si el esfuerzo principal vertical es igual al horizontal; serecomienda excavar el ancho y altura de igual dimensión.

(Fig.: 14 a, b y c).

FORMAS O SECCION DE LA FORMAS O SECCION DE LA EXCAVACIEXCAVACIÓÓN EN ROCA MASIVAN EN ROCA MASIVA

a

b

a = b

a

b

a = b

a

b

MAYOR PRESIÓN V MAYOR PRESIÓN H PRESION H y V IGUALES

a = b

Fig.: 14 (a) Fig.: 14 (b) Fig.: 14 (c)

FORMAS O SECCION DE LA FORMAS O SECCION DE LA EXCAVACIEXCAVACIÓÓN EN ROCA MASIVAN EN ROCA MASIVA

Del mismo modo; al realizar la excavación de una chimenea, debemos observar lo siguiente:

Si la presión horizontal es mayor en el eje Y, el ejede esa excavación debe estar orientado a ella.De igual manera, proceder a orientar al eje X si la presión es mayor allí.Si ambas presiones son iguales, entonces la formacircular es la conveniente.Generalmente, las presiones no siempre pueden estar en la dirección de los ejes X y Y, pueden ser intermedios. ( Fig.: 15 )

FORMAS O SECCION DE LA EXCAVACIFORMAS O SECCION DE LA EXCAVACIÓÓN N EN ROCA MASIVA (EN ROCA MASIVA (CHIMENEAS: VISTA PLANTACHIMENEAS: VISTA PLANTA))

a

a = b

a

a = b

a

MAYOR PRESIÓN EJE Y MAYOR PRESIÓN EJE X PRESION X y Y IGUALES

a = b

Fig.: 15 (a) Fig.: 15 (b) Fig.: 15 (c)

b b b

SECCIÓNTIPO BAUL

FOTO Nº 3

III.III.-- CARACTERISTICAS DE LA CARACTERISTICAS DE LA ROCA ESTRUCTURALROCA ESTRUCTURAL

Hasta lo anteriormente tratado nos hemos ocupado de excavación en rocas masivas, a continuación veremos como es el comportamiento en roca estructural, es decir en rocas de:

Diferente formación.Espesor o potencia variadas.Sometidos a tensiones.Buzamiento tambien variable.Estructura compuesta por c/techo, c/piso.

En todo caso el comportamiento estructural es diferente al de una excavación en roca masiva

ESFUERZOS EN ROCA ESFUERZOS EN ROCA ESTRUCTURALESTRUCTURAL

En todo macizo rocoso, la resultante R- R´producto de los esfuerzos principales H y V se encuentran en equilibrio, tal como se ilustra a continuación en la Fig. : 16.

ESTADOS EN EQUILIBRIO DE TENSIONESESTADOS EN EQUILIBRIO DE TENSIONES

R R´

50 kg 50 kg

R´

R

50 kg

50 kg

Caja

techo

Caja

piso

R

R´

50 kg

50 kg

MIN

ERAL

Fig.:16(a) Fig.:16(b) Fig.:16(c)

ESFUERZOS EN ROCA ESFUERZOS EN ROCA ESTRUCTURALESTRUCTURAL

Estas resultantes (R – R’), están ubicadas en todo el deposito mineral, pero hay una línea imaginaria llamada LINEA DECORTE (límite) en equilibrio, separando el mineral in situ y la parte excavada, bajo esas condiciones el techo (corona) es estable; y la roca que pasa “fuera” de ese limite hacia el vacío seráinestable,acentuándose aún mas rocas de tipo III y VI (valuación RMR). Fig.: 17

INESTABILIDAD POR DESEQUILIBRIO INESTABILIDAD POR DESEQUILIBRIO ESTRUCTURALESTRUCTURAL

σVRσH

R

R´

Fig.: 17

Fig.:18

CAJA TECHO

σHR

σVR

R’

LINEA DE CORTE

MINERAL

CAJA PISO

FORMA CORRECTA DE LA EXCAVACION

R – R’ EN EQUILIBRIO

TECHO PERPENDICULAR TECHO PERPENDICULAR

FOTO Nº 4

CAJAS TECHO Y PISO PERPENDICULARES AL CAJAS TECHO Y PISO PERPENDICULARES AL TECHO (CORONA).TECHO (CORONA). Foto N° 5

SECUENCIA DEL DESATADO

DETECCION DESATADO CAIDA DE ROCA

FOTO Nº 6

IV.IV.-- FORMA DE EXCAVACION FORMA DE EXCAVACION EN CHIMENEAS (FRENTE)EN CHIMENEAS (FRENTE)

Basado en ese comportamiento estructural, podemos definir tambien la sección de la excavación de las chimeneas con las siguientes características.

Las cajas techo y piso paralelas.La sección cuadrada ó rectangular según el diseño.El frente de la chimenea perpendicular a las cajas techo y piso.

FORMA CORRECTA DE EXCAVACIFORMA CORRECTA DE EXCAVACIÓÓN EN EL N EN EL FRENTE DE UNA CHIMENEAFRENTE DE UNA CHIMENEA

σVRσH R

R´

Fig.: 19

Frente de lachimenea

FORMA INCORRECTA DE EXCAVACIFORMA INCORRECTA DE EXCAVACIÓÓN EN EL N EN EL FRENTE DE UNA CHIMENEAFRENTE DE UNA CHIMENEA

σVRσH

Fig.: 19

R

R´

Frente de lachimenea

V. SOSTENIMIENTOV. SOSTENIMIENTOCuando la roca mineral ó estéril no puede autosoportarse a pesar de crearle la forma de la forma y sección adecuada,se diseña el tipo de sostenimiento y el material que seráempleado.

El sostenimiento debe “hacer frente” a las presiones ejercidas en la excavación.Todo el conjunto del soporte debe estar dirigida hacia la dirección del esfuerzo principal mayor presente en el macizo rocoso.

En esas condiciones el macizo rocoso y la excavación estarán en equilibrio, otorgando estabilidad a la excavación. (Fig.: 22, 23 )

SOSTENIMIENTOSOSTENIMIENTO

DIRECCIÓN DEL ESFUERZO

PRINCIPAL MAYOR

SOSTENIMEINTO

EQUILIBRIO (ESTABILIDAD) DE LA EXCAVACION EN EL EN EL MACIZO ROCOSO

Fig.: 22

SOSTENIMIENTOSOSTENIMIENTO

DIREC

CIÓN D

EL

ESFU

ERZO

PRIN

CIPAL

MAYOR

SOST

ENIM

EINTO

EQUIL

IBRIO

(EST

ABILID

AD) DE

LA E

XCAVA

CION

EN E

L EN

EL

MACIZO R

OCOSOFig.: 23

SOSTENIMIENTOSOSTENIMIENTOExisten muchos materiales para el sostenimiento de las excavaciones, algunos de ellos los describimos.MADERA.Se utiliza, por su elasticidad, dureza y maniobrabilidad.

Cuadros completos de madera.Cuadros rectos.Cuadros cónicos o trapezoidales. Cuadros cojos.Cuadros square-set verticales e inclinados.

SOSTENIMIENTO...SOSTENIMIENTO...PERNOS.El empernado es un tipo de sostenimiento activo, empleadoen terreno de tipo III y IV estratificados, los pernos simulan grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca suelta.

Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento. El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques por sostener.La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbode las de las estructuras, previo un plano estructural,dibujados en cortes ó secciones.la longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la voladura.

VOLADURAVOLADURA

La voladura debe ser usada con fines exclusivos de corte a la roca y no como un bombardeo,eso significa la disminución del área de los “campos”.Estos “campos” disminuirían considerablemente sise emplean las siguientes técnicas de voladura.a.- voladura de contorno controlado.b.- voladura de precorte.

CAMPOS DACAMPOS DAÑÑADOS POR LA VOLADURAADOS POR LA VOLADURA(excavaci(excavacióón horizontal)n horizontal)

CAMPOS ALTERADOS

CAMPOS ALTERADOS

Fig.: 24 (c)

Fig.: 24 (d)

CAMPOS

ALTERADOS

Fig.: 24 (a)

Fig.: 24 (b) ROCA MUY MALA

ROCA BUENA

CAMPOS ALTERADOS

ROCA REGULAR ROCA MALA

CAMPOS DACAMPOS DAÑÑADOS POR LA VOLADURAADOS POR LA VOLADURA(excavaci(excavacióón inclinada)n inclinada)

CAMPOS ALTERADOS

CAMPOS ALTERADOS

Fig.: 25 (c)

Fig.: 25 (d)

CAMPOS

ALTERADOS

Fig.: 25 (a)

Fig.: 25 (b) ROCA MUY MALA

ROCA BUENA

CAMPOS ALTERADOS

ROCA REGULAR ROCA MALA

SOSTENIMIENTO...SOSTENIMIENTO...

PERNOS.Los pernos se subdividen en dos grupos: adhesión y fricción.Pernos por adhesión.

Mayormente son varillas de hierro dulce ó aceradas.Son adheridas con cemento y resinas.Tiempo de fraguado en la instalación relativa.

Pernos por fricción.a) Anclaje mecánico.

Expansivo:Tienen dispositivos cuando el perno toca el fondodel taladro.Cuña: Un extremo con ranura, se expande por acción de la cuña que va incrustándose en el fondo del taladro.

SOSTENIMIENTOSOSTENIMIENTO

Pernos por fricción.b) Anclaje expansivo.

Pernos Split-set.- Tubo de acero especial con tratamiento anticorrosivo.- Tiene una ranura longitudinal.- Ofrece inmediato sostenimiento.

Pernos Swelex.- tubo de acero achatado en forma de “U” longitudinal.- actúa como bolsa metálica, al inflarse adopta la forma del

taladro, adhiriéndose y generando fuerzas friccionantes en las paredes del taladro.

- Ideal para terrenos sueltos.

PERNOS INSTALADOS ANTES DE CORREGIR PERNOS INSTALADOS ANTES DE CORREGIR Y/O DESATAR LA EXCAVACION HASTA EL Y/O DESATAR LA EXCAVACION HASTA EL

LIMITE DE LA LINEA DE CORTELIMITE DE LA LINEA DE CORTE

Foto N° 7

PERNOS DE ANCLAJE (labor horizontal)PERNOS DE ANCLAJE (labor horizontal)PERNO

(a)

(b)

(c )

EXPANSION

CONTRACCION

INSTALACION

Fig.: 26

PERNOS DE ANCLAJE (labor inclinada)PERNOS DE ANCLAJE (labor inclinada)PERNO

(a)

(b)

(c )

EXPANSION

CONTRACCION

INSTALACION

Fig.: 27

VI. VALORACION DEL SOSTENIMIENTO VI. VALORACION DEL SOSTENIMIENTO Y AUTOSOSTENIMIENTOY AUTOSOSTENIMIENTO

El autosostenimiento debe diseñarse teniendo como base la forma y sección correcta de la excavación.El sostenimiento es el complemento para mantener unalabor estable.En ambos casos, sostenimiento y autosostenimiento se relacionan mutuamente; ofreciendo buena estabilidad y como consecuencia mayor seguridad.Para una mayor comprensión, se ha diseñado una tabla valorando el FACTOR DE ESTABILIDAD la que se resume en forma cuantitativa lo enunciado.

VALORACION DEL SOSTENIMIENTO Y VALORACION DEL SOSTENIMIENTO Y AUTOSOSTENIMIENTOAUTOSOSTENIMIENTO

(TABLA N(TABLA N°° 1)1)

...........................00.51

00.51...........................

MALOREGULARBUENOMALOREGULARBUENO

Muy maloMaloRegularBuenoMuy

bueno

AUTOSOSTENIMIENTOSOSTENIMIENTO VALUACION

FACTOR DE ESTABILIDAD 00.511.52

DIS: ING. MIGUEL A. BERROCAL MALLQUI

GRACIAS POR SU ATENCIONGRACIAS POR SU ATENCION

IngIng°° Miguel A. BERROCAL MALLQUIMiguel A. BERROCAL MALLQUI

EE--mail:mail: consultecingenieros@yahoo.com.arconsultecingenieros@yahoo.com.armigb2003@hotmail.commigb2003@hotmail.com

Telf.: 01Telf.: 01-- 436 8713436 8713

“HAGAMOS DEL PERU, UNA MINERIA COMPETITIVA”