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• Cristhyan Xavier Catachura

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UNIVERSIDAD NACIONAL "JORGE BASADRE GROHMANN" - TACNA

Facultad de Ingeniería

Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Minas

“PHASE 2.5: INTERACCION DE ESFUERZOS Y COLOCACION DE SOPORTES” Trabajo Informe Presentado por: JOHN CANDIA SANTOS Curso: Mecánica de Rocas II Docente: Ing. Carlos Huisa Cori TACNA-PERU 2016

INTRODUCCION: En el presente trabajo se detalla el procedimiento para determinar los diferentes esfuerzos de interacción en el macizo rocoso con la finalidad de otorgarle a una determinada labor un sostenimiento apropiado para la mitigación del grado de vulnerabilidad de la roca y así prevenir un colapso y futuros accidentes.

Así mismo con dicho software se podrá buscar nuevos modos de sostenimiento en diferentes labores (rampas, galerías, túneles, etc).

Cabe destacar que dicho software puede trabajar con datos experimentales obtenidos en laboratorio y asi poder tener resultados mas creibles y asi determinar un tipo de sostenimiento que nos otorgue mayor estabilidad al momento de empezar el laboreo.

PHASE 2.5: INTERACCION DE ESFUERZOS Y COLOCACION DE SOPORTES

A. FUNDAMENTO TEORICO:

Interracion de esfuerzos : 

Deformacion de la Roca:

Esfuerzo: Es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie y es la expresión que se utiliza en Geología para referirse a la fuerza que ejerce, por ejemplo, una placa litosférica sobre otra en una zona de subducción.

Pueden ser de dos tipos:  Esfuerzo (o presión) de confinamiento: Es el derivado del peso de las rocas superyacentes y actúa uniformemente en todas las direcciones.  Esfuerzo (o presión) dirigido:

Es el derivado del empuje tectónico y es el responsable de la formación de las estructuras tectónicas: pliegues, fallas, cabalgamientos, etc. Los Esfuerzo dirigidos pueden ser de tres modos:

a) Compresión, es el más común, y produce una tendencia al acortamiento.

b) Tensión, causa el estiramiento o alargamiento de los materiales a los que afecta. c) Cizalla, causa deslizamiento y traslación. Todas las rocas se comportan de la siguiente manera al sufrir esfuerzos:

A. Túneles y Estabilización de Roca:

Cuando se hace una apertura en la roca, el estrato circundante invariablemente se hace más inestable.

El estrato se puede reforzar

mediante varios métodos de soporte.

El objetivo o propósito principal del soporte o refuerzo de roca es activar, conservar, y mejorar la fortaleza inherente del estrato y mantener su capacidad de sostener la carga.

Pernos :

El empernado es un tipo de sostenimiento activo, en donde 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 rumbo de las estructuras, previo un plano estructural, dibujados en cortes ó secciones. La longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la

Shotcrete: El Shotcrete, hormigón proyectado, gunita o Gunitado es un proceso por el cual el hormigón comprimido es proyectado a alta velocidad por medio de una manguera sobre una superficie, para conformar elementos estructurales y no estructurales en edificaciones. La mezcla que se utiliza para este tipo de hormigón es relativamente seca y se consolida por la fuerza del impacto, a la vez que desarrolla una fuerza de compresión similar al hormigón normal o al hormigón de alta resistencia dependiendo de la dosificación usada.

Phase 2

CARACTERÍSTICA DE LA MASA ROCOSA

Nombre:

𝐾𝑔⁄ 𝑐𝑚

Lutita ⁄

𝑀𝑃𝑎

33

⁄

( )

CARACTERÍSTICA DEL MATERIAL DE SOPORTE

PREPARACCION DE LA EXCAVACION: Se sigue los siguientes pasos:  File.  Import.  Import DXF.

 Excavations  Tunnel.dxf

 Boundaries.  Add External.  Teniendo el cuadro “CREATE EXTERNAL BOUNDARY” introducimos los siguientes datos :  Boundary Type: Box.  Expansion Factor: 1

 Mesh  Discretize.

Se observa la degradación del contorno del túnel y el enmarcado de este.  Mesh.  Mesh.

Se aprecia la malla de elementos finitos, escencial para tener los limites de los esfuerzos actuantes en la labor. A. DEFINIR ESFUERZOS:  Loading.  Field Stress.  Sigma1:  Sigma 3:  Sigma Z:  Angle:

Esfuerzos respecto a la horizontal

36.186 Mpa 12 Mpa 12 Mpa 30º

modificados a una inclinación de 30

B. DEFINICION DEL MATERIAL ROCOSO: 

Define materials.  Se introduce los datos de la roca: Ejemplo:  Name: LUTITA  Initial Element Loading: Field Stress Only  Otros.

C. ASIGNACION DE PROPIEDADES:  Properties.  Assign Properties.

Hacemos un clip en cuadro de excavación, seguidamente nos dirigimos a la labor para realizar el corte.

 Compute ( para que el programa compute, introdusca y reconosca los datos puestos).

Aviso que nos indica que el Software no está registrado( preferentemente no hacer caso).

El programa correrá y hará los cálculos respectivos .

 Interpret (nos sirve para identificar las zonas que sufren esfuerzos críticos en algún caso).

Teniendo los diagramas podremos identificar e interpretar las zonas criticas en las cuales preferentemente se necesitara un tipo de sostenimiento.

 Sigma 1.

 Sigma 3:

 Sigma Z:

 Strength Factor:

 Horizontal Displacement:

 Vertical Displacement:

 Total Displacement:

 Ubiquitous Joints:

 Volumetric Strain:

 Maximun Shear Strain:

 Yislded Element:

D. UTILIZACION DE ALGUNAS PROPIEDADES:  Deformation Vectors:

Se podrá observar la dirección e interacción de las fuerzas encontradas en dicha labor.

 Stress Trajectories:

 Deformed Boundaries:

Se podrá Observar la deformación del macizo rocoso en dicha excavación.

 Yielded Element

 Dimension:

 Label colour

Nos permitirá identificar el valor de las fuerzas que actúan en los diferentes estados de compresión.

E. INTRODUCCION DE SOSTENIMIENTO CON PERNOS Y SHOTCRETE: 

PARA PERNOS:  Properties.  Define Bolts.

 Introducimos los datos respectivos

Agregamos los pernos en todo el contorno con Add Pattern Bolt o simplemente por cada unidad con Spot Bolt.

 Introducimos los datos : (pernos de distancia separada cada 1.5 m a lo largo de la labor y con colocacion radial).

Colocamos los pernos en las zonas supuestamente identificadas anteriormente en las cuales se necesitaba sostenimiento

A. SHOTCRETE

B. Sostenimiento sin y con concreto lanzado:

C. Computamos para identicar los datos:

En pasos anteriores damos en aceptar puesto que es un procedimiento en el cual nos indica de que el sotware no esta registrado pero que no varia de ninguna manera en los resultados:

El programa empieza a correr y actualizar los datos:

D. Interpretamos:

F. RESULTADOS :

E. EXPLICACION DE RESULTADOS: En el caso del desplazamiento Horizontal, Vertical y la ubicación de la juntas, se ha logrado reforzar las zonas debilitadas con el sostenimiento dado (pernos y Shotcrete). De esta manera se ha logrado las siguientes comparaciones:

F. ANALISIS DE LA INFORMACION:  Phase2 Analysis Information   Document Name   JOHN CAN.   Project Settings   Project Name: Project1  Single stage model  Analysis Type: Plane Strain  Maximum Number of Iterations: 500  Tolerance: 0.001  Number of Load Steps: Automatic  Solver Type: Gaussian Elimination   Groundwater  Method: Piezometric Lines  Pore Fluid Unit Weight: 0.00981   Field Stress   Field stress: constant  Sigma one: 36.186 MPa (compression positive)  Sigma three: 12 MPa (compression positive)  Sigma Z: 12 MPa (compression positive)  Angle from the horizontal to sigma 1: 30 degrees (counter-clockwise)   Mesh   Mesh type: graded  Element type: 3 noded triangles  Number of elements: 667  Number of nodes: 393   Mesh Quality   All elements are of good quality  Poor quality elements are those with:  (maximum side length) / (minimum side length) > 10.00  Minimum interior angle < 20.0 degrees  Maximum interior angle > 120.0 degrees

                          

Material Properties Material: LUTITA Initial element loading: field stress only Material type: isotropic Young's modulus 1581 MPa Poisson's ratio 0.3 Failure criterion: Mohr-Coulomb Tensile strength 0.018 MPa Peak friction angle 33 degrees Peak cohesion 0.309 MPa Material type: Plastic Dilation Angle 0 degrees Residual Friction Angle 25 degrees Residual Cohesion 0.309 MPa Bolt Properties Bolt name: Bolt 1 End anchored bolt diameter: 19 mm Young's modulus: 200000 MPa Peak capacity: 0.1 MN Residual capacity: 0 MN Pre-tensioning: 0 MN Pre-tensioning force constant in install stage Out-of-plane spacing: 1 m CONCLUSIONES



Gracias a Softwares como el Phase se puede simplificar la identificación y determinación de una zona vulnerable al colapso en una labor y así conseguir un buen sostenimiento.



Para conseguir dichos diagramas en donde muestren estas zonas se es necesario tener las características de la roca (indispensablemente como dato importante se tiene que saber si la roca es elástica o plástica en el caso de una arcilla), la dimensión del soporte (en caso de perno), el grosor del shotcrete, entre otros.



Se aprecia que inicialmente al correr el programa se mostraba zonas alteradas (generalmente pintadas de rojo), pero luego de colocar el determinado sostenimiento (pernos y shotcrete), desaparece dichas zonas, dándonos a entender del aumento de estabilidad en la labor.



Como dato complementario esta la opción “Dato de análisis” en donde detalla los datos introducidos y calculados por el programa.

CIMBRA Una vez ya dibujado disctrizado y mesh vamos a colocarle fuerzas

Luego definimos el material

Asignación de propiedades y le damos un clic a la excavación

Luego computamos e interpretamos

DIMENSIONAMOS

Luego aplicamos los pernos de anclaje

Luego aplicamos los pernos de anclaje con sus datos respectivos

Seguidamente computamos e interpretamos

AHORA APLICAMOS EL SHOT CRETE

Luego aplicamos add to liner

Aplicamos computación e interpretamos

ANALISIS DE INFORMACION

Phase2 Analysis Information Document Name john cimbr phs

Project Settings Project Name: JOHN CANDIA PHASE2 Single stage model Analysis Type: Plane Strain Maximum Number of Iterations: 500 Tolerance: 0.001 Number of Load Steps: Automatic Solver Type: Gaussian Elimination Groundwater Method: Piezometric Lines Pore Fluid Unit Weight: 0.00981

Field Stress Field stress: constant Sigma one: 150 MPa (compression positive) Sigma three: 10 MPa (compression positive) Sigma Z: 25 MPa (compression positive) Angle from the horizontal to sigma 1: 0 degrees (counter-clockwise)

Mesh Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles Number of elements: 641 Number of nodes: 380

Mesh Quality 1 of 1093 Elements ( 0.1 % of elements) are poor quality elements 0 of 1093 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the side length ratio 0 of 1093 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the minimum interior angle 1 of 1093 Elements ( 0.1 % of elements) are poor quality elements because of the maximum interior angle (elements can be of poor quality for more than one reason) Mesh Quality Statistics The worst element has (ratio = 2.52), (min angle = 22.04) (max angle = 123.34) 10.0% of elements have: (ratios > 1.9), (min angles < 32.0) (max angles > 93.0) 20.0% of elements have: (ratios > 1.7), (min angles < 35.7) (max angles > 87.3) 30.0% of elements have: (ratios > 1.6), (min angles < 38.8) (max angles > 82.9) 40.0% of elements have: (ratios > 1.5), (min angles < 40.9) (max angles > 79.1) 50.0% of elements have: (ratios > 1.4), (min angles < 43.2) (max angles > 77.0) 60.0% of elements have: (ratios > 1.4), (min angles < 45.6) (max angles > 75.4) 70.0% of elements have: (ratios > 1.3), (min angles < 47.7) (max angles > 72.8) 80.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 49.5) (max angles > 70.7) 90.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 51.7) (max angles > 68.5) 100.0% of elements have: (ratios > 1.1), (min angles < 54.2) (max angles > 66.0) Poor quality elements are those with: (maximum side length) / (minimum side length) > 10.00 Minimum interior angle < 20.0 degrees Maximum interior angle > 120.0 degrees

Material Properties Material: lutita Initial element loading: field stress only Material type: isotropic Young's modulus 1581 MPa Poisson's ratio 0.3 Failure criterion: Mohr-Coulomb Tensile strength 0.018 MPa Peak friction angle 33 degrees Peak cohesion 0.309 MPa Material type: Plastic Dilation Angle 0 degrees Residual Friction Angle 25 degrees Residual Cohesion 0.309 MPa

Liner Properties Liner name: SHOTCRETE Formulation: timoshenko thickness: 0.09 m Elastic properties: Young's modulus: 15000 MPa Poisson's ratio: 0.18

Bolt Properties Bolt name: PERNOS End anchored bolt diameter: 38 mm Young's modulus: 200000 MPa Peak capacity: 0.1 MN Residual capacity: 0.01 MN Pre-tensioning: 5 MN Pre-tensioning force constant in install stage Out-of-plane spacing: 1 m

Displacements Displacement data is not available until total displacement is viewed in a window

Yielded Elements Yielded Mesh Elements Number of yielded mesh elements: 641 Yielded Bolt Elements Number of yielded bolt elements: 36

RECTANGULAR

Las coordenadas son (-5,10) (-3,0) ;(3,0)(1,10) cerrar ‘c’

Luegos definimos material

Aplicamos el material y la excavacion

Computamos e interpretamos

APLICAMOS PERNOS DE ANCLAJE

Aplicamos los pernos de anclaje

Computamos e interpretamos

AHORA APLICAREMOS SHOTCRETE

LUEGO APLICAMOS ADD LINER

Computamos e interpretamos

ANALISIS DE INFORMACION

Phase2 Analysis Information Document Name john rec

Project Settings Project Name: RECT.JOHNE Single stage model Analysis Type: Plane Strain Maximum Number of Iterations: 500 Tolerance: 0.001 Number of Load Steps: Automatic Solver Type: Gaussian Elimination Groundwater Method: Piezometric Lines Pore Fluid Unit Weight: 0.00981

Field Stress Field stress: constant Sigma one: 10 MPa (compression positive) Sigma three: 10 MPa (compression positive) Sigma Z: 10 MPa (compression positive) Angle from the horizontal to sigma 1: 0 degrees (counter-clockwise)

Mesh Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles

Number of elements: 628 Number of nodes: 368

Mesh Quality 1 of 952 Elements ( 0.1 % of elements) are poor quality elements 0 of 952 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the side length ratio 0 of 952 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the minimum interior angle 1 of 952 Elements ( 0.1 % of elements) are poor quality elements because of the maximum interior angle (elements can be of poor quality for more than one reason) Mesh Quality Statistics The worst element has (ratio = 2.40), (min angle = 23.54) (max angle = 122.08) 10.0% of elements have: (ratios > 1.7), (min angles < 34.7) (max angles > 88.6) 20.0% of elements have: (ratios > 1.6), (min angles < 38.3) (max angles > 84.1) 30.0% of elements have: (ratios > 1.5), (min angles < 40.8) (max angles > 79.7) 40.0% of elements have: (ratios > 1.4), (min angles < 44.0) (max angles > 76.9) 50.0% of elements have: (ratios > 1.3), (min angles < 46.0) (max angles > 74.5) 60.0% of elements have: (ratios > 1.3), (min angles < 47.8) (max angles > 72.7) 70.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 49.8) (max angles > 71.0) 80.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 51.4) (max angles > 68.9) 90.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 53.3) (max angles > 66.9) 100.0% of elements have: (ratios > 1.1), (min angles < 55.5) (max angles > 64.9) Poor quality elements are those with: (maximum side length) / (minimum side length) > 10.00 Minimum interior angle < 20.0 degrees Maximum interior angle > 120.0 degrees

Material Properties Material: LUTITA Initial element loading: field stress only Material type: isotropic Young's modulus 1581 MPa Poisson's ratio 0.3 Failure criterion: Mohr-Coulomb Tensile strength 0.018 MPa Peak friction angle 33 degrees Peak cohesion 0.309 MPa Material type: Plastic Dilation Angle 0 degrees Residual Friction Angle 25 degrees Residual Cohesion 0.309 MPa

Liner Properties Liner name: SHOTCRETE Formulation: timoshenko thickness: 0.09 m Elastic properties: Young's modulus: 15000 MPa Poisson's ratio: 0.18

Bolt Properties

Bolt name: PERNOS End anchored bolt diameter: 38 mm Young's modulus: 200000 MPa Peak capacity: 0.1 MN Residual capacity: 0.01 MN Pre-tensioning: 0 MN Pre-tensioning force constant in install stage Out-of-plane spacing: 1 m

Displacements Displacement data is not available until total displacement is viewed in a window

Yielded Elements Yielded Mesh Elements Number of yielded mesh elements: 435 Yielded Bolt Elements Number of yielded bolt elements: 27