2015-I
3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE
Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y metalúrgica
INFORME N°3 ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE2
Curso:
Mecánica de Rocas Ii
Profesor:
Ing. VALENCIA CHAVEZ ELVIS WILLIAM
Sección:
R
Apellido Paterno
Apellido Materno
Nombres
Especialidad
Código
Deudor
Benavente
Hugo Rodrigo
G3
20124129J
Fecha de presentación:
06/10/2015
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Firma
3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE
CONTENIDO RESUMEN........................................................................................................................2 OBJETIVOS......................................................................................................................3 MARCO TEORICO..........................................................................................................4 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS.............................................................................7 CONCLUSIONES...........................................................................................................23 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................24
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RESUMEN
En el presente informe se desarrollará el análisis de los esfuerzos inducidos alrededor de excavaciones subterráneas circulares usando el software Phase 2, se usará la aplicación en la versión 5.0. Para ello tomaremos un ejemplo con datos reales proporcionados y usados en el informe previo. Se pondrá énfasis en los diferentes diagramas que se pueden realizar para ver el comportamiento de la roca ante los esfuerzos inducidos. Los datos usados para el ejemplo fueron obtenidos mediante el software Microsoft Excel 2013 con un fin explicativo, así también el procedimiento para realizar los diagramas antes descritos.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Analizar y utilizar el software Phase 2 para predecir los esfuerzos inducidos.
Observar la distribución de los esfuerzos inducidos alrededor de una excavación circular.
Predecir el comportamiento de nuestra excavación a medida del radio de estudio.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Aprender a graficar la disposición de esfuerzos inducidos con el software Phase2
Aprender a analizar el factor de seguridad con el software Phase2
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MARCO TEORICO
Esfuerzos inducidos por la excavación subterránea Al abrirse un orificio en el subsuelo por una excavación subterránea, los materiales que anteriormente estaban confinados, se ven de pronto liberados siguiendo trayectorias convergentes hacia el centroide del área trasversal de la zona excavada (Széchy, 1970), impulsados por el estado inicial de esfuerzos que los rodea.
Por la geometría convergente del movimiento generado, el techo de la excavación trata de definir un mecanismo natural de estabilidad, el cual se asemeja a la configuración de un arco (Bello, 1977), (Chunlin, 2006); especialmente cuando la masa rocosa es uniforme, esto es, cuando tiene el mismo número de fisuras y fracturas por unidad de volumen.
La redistribución de los esfuerzos principales puede predecirse con la aplicación de la teoría de la elasticidad alrededor de una abertura formada en un sólido sujeto a la acción de un campo de esfuerzos unidireccionales. En este nuevo campo de esfuerzos la roca en su estado parcialmente desconfinada, es incapaz de resistir el incremento de esfuerzos generados por la excavación. Estos esfuerzos son los de interés para el diseño de elementos de soporte.
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Para el diseño de una excavación subterránea, los métodos que existen en la literatura técnica, conducen a determinar el valor de una “presión” para ser aplicada al sistema de soporte que debe ser utilizado.
Utilización del Phase2 Phase 2 es un poderoso programa 2D para análisis de elementos finitos y análisis de estrés para excavaciones subterráneos o de superficie en roca o suelo. El software puede ser utilizado para una amplia gama de proyectos de ingeniería y diseño, e incluye soporte a la estabilidad de taludes, infiltración de aguas subterráneas y análisis probabilístico.
Phase 2 puede ser utilizado para modelar la excavación de una mina a cielo abierto. El modelo puede ser excavado en etapas y puede incluir fallas sub-verticales que interceptan el terreno. Modelos complejos o de multi-excavación pueden ser fácilmente creados y rápidamente analizados - túneles en roca débil o articulada, cavernas subterráneas, minas a cielo abierto y pendientes, vertederos, estructuras de tierra estabilizadas (MSE) y mucho más. Falla progresiva, interacción de apoyo y una variedad de otros problemas pueden ser abordadas.
Phase 2 ofrece una amplia gama de opciones de modelaje de apoyo. Elementos de revestimiento pueden ser aplicados en el modelaje proyectado: concreto, sistemas de conjunto de acero, muros de contención, pilotes, multi-capa de revestimiento compuesto, geo textiles y mucho más.
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Una de las características principales de Phase 2 es el análisis de elementos finitos y de estabilidad de taludes usando el método de reducción de fuerza de corte. Esta opción es totalmente automatizada y puede ser usada con cualquier parámetro de fuerza MohrCoulomb
o
de
Hoek-Brown.
Los
modelos
de
inclinación
pueden
ser
importados/exportados entre el Software Slide y Phase 2 permitiendo una comparación fácil de equilibrio límite y los resultados de elementos finitos.
Phase 2 incluye estado de equilibrio, análisis de elementos finitos infiltración de aguas subterráneas incrustado en el programa. No hay necesidad de utilizar un programa de aguas subterráneas por separado. La presión en los poros es determinada, así como el flujo y el gradiente, los resultados son automáticamente incorporados en el análisis de tensiones. Actualmente este software se puede obtener de forma de prueba en el paquete que nos proporciona Rockscience.
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PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS Nuestros datos proporcionados y que usaremos en el software son los siguientes:
Profundidad: 460 m
Densidad:
σc
RMR :
k :
mi
:
2.825 t/m3
90 MPa
60 (1989)
1.08
:
17 (Granodiorita)
Utilización del Software Al entrar al software Phase2 versión 5.0 se muestra la siguiente interfaz
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Se procede a diseñar nuestra excavación, por lo que se da clic en el barra de menú la opción Boundaries y luego Add Excavation
.
Luego se procede a escribir “a” (arc) en el recuadro inferior similar al programa Autocad, luego se procede escribir el número de segmentos, en este caso pondremos 40. Ahora solo daremos un clic en el espacio de trabajo para dar el punto inicial de nuestra excavación luego el final, y finalmente escribimos “c” para cerrar nuestra excavación. El resultado final es el siguiente:
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Ahora se le tiene que agregar el contorno a nuestra excavación, para eso se procede a dar clic en “Boundaries “en la barra de menú, luego en “Add External”.
Nos da un cuadro de diálogo donde se procede a cambiar la parte de “Boundary Type” de Box a Circle, ya que nuestro trabajo anterior fue realizado en una circunferencia. Además como el trabajo anterior se realiza con un límite circular de tamaño cinco veces el radio se tomara un “Expansion Factor” de 1.25 para que satisfaga las condiciones.
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Nuestra área de trabajo queda de la siguiente manera:
Se tiene que determinar la malla en la cual se trabajara para eso nos colocamos en la barra de menú y colocamos “Mesh”, y nos dirigimos hacia su “Setup”.
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Aparece un cuadro de diálogo donde notamos que la opción “Mesh Type” sirve para mostrarnos los tipos de mallas que se generara, en nuestro caso lo dejamos en “Graded”, en la siguiente opción “Element Type” nos muestra la forma de la malla en nuestro caso formaremos triángulos con 3 nodos, asi que lo dejaremos en la opción presente; una vez visto esto le damos clic en “Discretize” , luego en “Mesh” para finalmente dar en OK.
Nuestra área de trabajo queda de la siguiente manera:
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Ahora tenemos que caracterizar nuestro macizo rocoso presente en la excavación. Para esto damos clic en “Loading” de la barra de menú, y consiguiente “Field Stress”.
Nos aparecerá un cuadro de diálogo, en el cual en la opción Field Stress Types colocaremos la opción “Gravity”, esto nos generara otras casillas que tendremos que completar con nuestros datos proporcionados en clase. En el espacio de “Ground Surface elevation” colocaremos 460m, ya que esta es la profundidad de nuestra excavación; en Unit Weight Overburden insertaremos el valor de la densidad siendo este 0.0282; y finalmente en Total Stress Ratio colocaremos el valor de “k” siendo este valor en nuestro caso igual a 1.08.
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Otro paso importante es dar las propiedades a nuestra excavación. Para eso damos clic en “Properties”, que se encuentra en la barra de menú y seguidamente en “Define Materials”.
Nos aparece un cuadro diálogo donde hay dos secciones, la primera es “Elastic Properties”, siendo estás propiedades como el coeficiente Young y el coeficiente de Poisson colocando en estos el primer valor de 1778.279 y al último el valor de 0.3. Para la segunda parte nos encontramos en Strength Parameters, donde nos pide definir el Failure Criterion (criterio de falla), siendo nuestro macizo rocoso le colocamos HoekBrown, ellos nos generará otras casillas en estas colocamos los valores correspondientes; en la primera nos pide Intact UCS (MPa) en nuetsro caso sería de 90
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3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE MPa; en la segunda casilla nos pide el parámetro m. siendo este igual a este caso 3.408; finalmente nos pide el valor de S
mb
siendo en
siendo este 0.00673795.
Le damos OK para aplicar los datos ingresados.
Luego seleccionamos las propiedades de los materiales en nuestra excavación. Para eso damos clic en Properties de la barra menú, y seleccionamos Assign Properties, apareciendo la siguiente pantalla.
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Se da clic en Excavate y finalmente se da clic en el centro de nuestra excavación. El resultado es el siguiente:
Finalmente con nuestros datos ingresados se procede a correr nuestros datos con la herramienta “computer”, icono de color verde situado en la barra de herramientas. La opción es similar a un teclado de color verde.
Para eso tenemos que guardar nuestro archivo previamente, en la carpeta que deseemos.
Ahora solo nos falta interpretar la gráfica y para eso nos vamos a “Interpret”, ubicado al lado de Computer en la barra de herramientas.
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3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE Se nos muestra otra ventana mostrándonos las gráficas requeridas, en nuestro caso analizaremos solo Sigma 1, Sigma 3, Factor de Seguridad y el Diagrama de Flechas. Las gráficas que nos puede dar el software Phase2 son las siguientes:
Se procede a mostrar las gráficas generadas:
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SIGMA 1
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SIGMA 3
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FACTOR DE SEGURIDAD
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DIAGRAMA DE FLECHAS
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Estos gráficos se pueden analizar también de forma textual mediante los siguientes pasos: Dar clic en File de la barra de menú para luego dar clic en Info Viewer.
La información es la siguiente:
Phase2 Analysis Information Document Name Página 23
3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE informe2.fea
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: gravity Ground surface elevation: 460 m Unit weight of overburden: 0.0282 MN/m^3 Stress ratio (horizontal:vertical in-plane): 1.08 Stress ratio (horizontal:vertical out-of-plane): 1 Locked-in horizontal stress (in-plane): 0 Locked-in horizontal stress (out-of-plane): 0
Mesh Mesh type: graded Element type: 3 noded triangles Number of elements: 968 Number of nodes: 544
Mesh Quality 2 of 1272 Elements ( 0.2 % of elements) are poor quality elements 0 of 1272 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the side length ratio 0 of 1272 Elements ( 0.0 % of elements) are poor quality elements because of the minimum interior angle 2 of 1272 Elements ( 0.2 % 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 = 2.23), (min angle = 25.87) (max angle = 122.71) 10.0% of elements have: (ratios > 1.7), (min angles < 36.0) (max angles > 91.5) 20.0% of elements have: (ratios > 1.6), (min angles < 39.3) (max angles > 85.0) 30.0% of elements have: (ratios > 1.5), (min angles < 42.0) (max angles > 80.7) 40.0% of elements have: (ratios > 1.4), (min angles < 44.4) (max angles > 77.3) 50.0% of elements have: (ratios > 1.3), (min angles < 46.3) (max angles > 74.9) 60.0% of elements have: (ratios > 1.3), (min angles < 48.0) (max angles > 72.6) 70.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 49.9) (max angles > 70.5) 80.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 51.6) (max angles > 68.5) 90.0% of elements have: (ratios > 1.2), (min angles < 53.4) (max angles > 66.5) 100.0% of elements have: (ratios > 1.1), (min angles < 55.7) (max angles > 64.1)
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3° INFORME – ESFUERZOS INDUCIDOS SOBRE UNA EXCAVACIÓN USANDO PHASE 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: Material 1 Initial element loading: field stress & body force Unit weight 0.027 Material type: isotropic Young's modulus 1778.28 MPa Poisson's ratio 0.3 Failure criterion: Hoek-Brown Compressive strength 90 MPa m parameter: 3.408, s parameter: 0.00673795 Material type: Elastic
CONCLUSIONES
El Phase2 es un programa que nos permite poder evaluar el comportamiento de
nuestra excavación. Se puede evaluar las distintas formas de nuestras excavaciones, ya sea : circular ,
rectangular , entre otras. El software nos proporciona una gran cantidad de gráficas, que nos va a servir para una futura toma de decisiones, como por ejemplo decisiones en el sostenimiento.
El software Phase2 nos pidenel modulo de Young y la relación de Poisson a diferencia de nuestro cálculo a mano , teniendo efecto en la generación de las curvas isovaloricas en cada caso.
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Las gráficas generadas en el software Phase2 versión 5.0 son similares a las generadas a mano, de acuerdo a las fórmulas de esfuerzos alrededor de una excavación circular.
BIBLIOGRAFÍA
https://www.rocscience.com/help/phase2/webhelp/tutorials/Phase2_Tutorials.ht
m https://www.google.com.pe/search? q=phase+2+software+tutorial&oq=phase+2+&aqs=chrome.0.69i59j69i57j0l4.28 41j0j8&sourceid=chrome&es_sm=93&ie=UTF-8}
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