Clasificación Geomecánica De Protodyakonov (1976)
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE PROTODYAKONOV (1976) HISTORIA DE LAS CLASIFICACIONES
Las Clasificaciones Geomecánicas surgieron a la necesidad de parametrar las observaciones y datos empíricos de forma integrada, para evaluar las medidas de sostenimiento de túneles. t úneles.
Estas clasificaciones a manera de esquemas esquemas han sido desarrollados desarrollados desde hace más de 100 años, desde que Ritter (1879) intento formalizar un enfoque empírico para el diseño de túneles, en particular para determinar los requerimientos del sostenimiento.
Al depender los túneles túneles de muchas variables geológicas geológicas y lo difícil que era cuantificarlos, se vio como alternativa el uso de los métodos empíricos (al que pertenecen las Clasificaciones Geomecánicas) fue de gran ayuda desde el uno de los primeros sistemas de clasificación del siglo xx propuesto en 1946 por Terzaghi.
“Las Clasificaciones Geomecánicas son un método de ingeniería
geológica que permite evaluar el comportamiento geomecánico de los macizos rocosos, y de aquí estimar los parámetros geotécnicos de diseño y el tipo de sostenimiento de un túnel”.
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Las clasificaciones llevan más de 100 años en uso, pero es a partir de la década de los años 70 cuando se extienden más internacionalmente.
Se inicia con la clasificación de Bieniaswski (1973) y Barton, Lien y Lunde (1974) quienes contribuyeron definitivamente a su rápida aceptación y expansión.
CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS
Clasificacion de rocas de terzaghi (1946).
clasificacion de stini y lauffer (1958).
caterpillar tractor co.(1966)
obert & duval (1967) para mineria.
ege (1968) tuneles r.ristalinas.
kruse et al (1969) revestimiento tuneles.
goodman & duncan (1971) taludes.
laubasher (1974) para mineria.
clasificacion de wickham et al., 1972 r.s.r.
clasificacion csir de macizos rocosos fisurados (1973) coautor bieniaksindice de calidad tunelera barton (1975).
clasificacion de protodiakonov (1976).
clasificacion de bieniawski (1979).
clasificacion src (1983) de gonzales de vallejo.
romana (1985).
clasificacion de bieniawski (1989).
palmstrom (1995) indice rmi.
clasificacion de rabcewicz (natm) norma alemana.
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CLASIFICACIÓN GEOMECANICA DE LAS ROCAS Las Clasificaciones Geomecánicas se han convertido en una herramienta habitual para el reconocimiento de los macizos rocosos: obras de ingeniería, túneles, obras subterráneas en minería y obras civiles. Útil para valorar y seleccionar los sostenimientos más adecuados, para el plan de minado, para determinar el tipo de explosivo, la velocidad sónica de roca y su resistencia mecánica. Mediante el análisis litológico estructural se establecen las características del comportamiento mecánico del macizo rocoso, determinando las propiedades físicas, mecánicas y la resistencia compresiva del macizo rocoso y del mineral. Finalmente se realiza la determinación de los dominios estructurales .
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE PROTODYAKONOV (1976) Es una clasificación bastante extendida en los países del este de Europa, en los que se utiliza para el dimensionamiento de sostenimientos de túneles. Clasifica los terrenos, asignándoles una anchura del túnel (b) y un parámetro “f”
llamado coeficiente de resistencia, a partir del cual, y de las dimensiones del túnel, define las cargas del cálculo para dimensionar el sostenimiento. Este coeficiente “f” ,depende de la resistencia a compresión simple (RCS), el ángulo de rozamiento interno (φ) y la cohesión (c) del terreno, de forma que
para rocas, "f" vale una décima parte de la resistencia a compresión simple (en MPa), mientras que para suelos se toma f = tg φ + c/RCS
Para rocas: f = σc/10
Para suelos: f = tg φ + c/σc
Donde:
σ c = Resistencia compresión simple (RCS) (Mpa)
φ = Angulo de rozamiento interno a largo plazo
c = Cohesion a largo plazo (Mpa).
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La distribución de las cargas sobre un túnel para el dimensionamiento del sostenimiento se hace suponiendo:
Tensión uniforme vertical: σ v = γ . Hp
Presión uniforme horizontal lateral. σh = γ (Hp + 0.5 Ht)tg²(45 - φ/2)
Donde:
Hp = b/2f b = B + 2Ht.tg (45 - φ/2) Siendo:
B = anchura Ht = altura del túnel f = coeficiente de resistencia (protodiakonov) φ = angulo de rozamiento interno. γ= densidad del terreno.
El planteamiento teórico del método es similar al utilizado por Terzaghi, aunque Protodyakonov simplifica mucho las expresiones al considerar que las cargas de compresión creadas por el terreno se distribuyen de forma parabólica. A GRANDES RASGOS, LO QUE HACE ES:
Considerar un arco parabólico triarticulado trabajando a compresión.
Plantear el equilibrio de fuerzas, compensando las cargas verticales y horizontales mediante el factor "f" (como una especie de coeficiente de rozamiento).
Buscar la mayor altura estable «Hp" que puede desarrollar el terreno.
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Una vez conocida esa altura "auto-estable" (por llamarla de algún modo), tenemos delimitadas dos zonas con distinto comportamiento. Así, por encima de la parábola el terreno queda sustentado por un "efecto arco" (también llamado "arqueo" o "efecto silo"), mientras que por debajo de la parábola carga directamente sobre el sostenimiento. Como se conoce la ecuación de esa parábola, se puede medir esta cantidad de terreno, obteniendo una carga total sobre el revestimiento de: Q = (1/3) · γ · b²/f
O, en términos de tensión sobre la sección: σ = (1/3) · γ · b/f
(Siendo γ la densidad del material)
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Es decir, valores muy similares a los que se obtienen aplicando el método de Terzaghi. De forma aproximada, Protodyakonov dio los siguientes valores para el coeficiente de resistencia "f":
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ENSAYOS DE LABORATORIO Con los bloques recogidos se han tallado una serie de probetas y preparado muestras para el cálculo de parámetros, como son el peso específico, la resistencia a compresión, resistencia a la tracción y los módulos de Young y Poisson.
ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE CON O SIN MEDIDA DE LA DEFORMACIÓN Denominado también ensayo de Compresión Uniaxial, este ensayo consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a probetas rocosas y/o minerales cilíndricas, hasta producir su rotura la probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relación: L/D = 2 Donde: L = Longitud de la probeta (cms). D = Diámetro de la probeta (cms).
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FACTOR DE CORRECCIÓN DE PROTODYAKONOV Cuando la relación de L/D diferente de 2, se puede aplicar el factor de corrección de Protodyakonov, cuya relación matemática es la siguiente:
σO = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2.
σC = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D diferente a 2.
L = Longitud de la Probeta.
D = Diámetro de la Probeta.
APLICACIÓN DE LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA EN SUELOS
PROBLEMA: Para la construcción de un túnel se llevaron a cabo los trabajos de exploración, muestreo y pruebas de laboratorio que permitieron integrar el perfil geológico. Se localizó una formación de arena suelta, cuyo ángulo de fricción es de 32°, cuya cohesión es nula y cuyo peso volumétrico es de 1.5ton/m 3. El túnel en proyecto tendrá una sección transversal circular de 4m. de radio y se ubicará a una profundidad media de 20m.
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1) Hallando el f : En suelos: f = tgФ +
…..(1)
Dato: Ф = 32°
C= 0
Reemplazar en (1): f = tg(32°) = 0.625
Hallando la tensión vertical: σv = (1/3) · γ · B/f ….(2) Dato: y = 1.5 Ton/m3 B = 8m. f = 0.625
Reemplazar en (2):
σv =
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1 3
1.5 ton. m3
8m.
2
= 6.4 Ton/m
0.625
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APLICACIÓN DE LA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA PARA ROCA
CALCULOS MECANICOS Y COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DE LA SECCION DEL TUNEL.
Para la realización de los cálculos mecánicos del túnel se aplica la metodología expuesta en el libro Geotecnia y Cimientos III cuyo autor es Jiménez Salas. La presión ejercida en el anillo de excavación del túnel se determina aplicando la teoría de PROTODYACONOV., por ser el método más contrastado y con resultado fiables. Con este método obtenemos las tensiones vertical y horizontal a partir de un factor f, que varía según la calidad del material a perforar, y del ángulo de rozamiento interno. De la tabla de factor f de PROTODYAKONOV, buscamos el material más similar a nuestro material a perforar, los conglomerados del Time, material sedimentario muy consolidado, la mayor similitud la encontramos en la categoría de materiales de resistencia media, y más concretamente en el apartado de caliza, granito algo alterado, areniscas, de esta manera, el valor que utilizamos para los cálculos f es de 8. Para el cálculo necesitamos el peso específico, utilizamos como dato 2,4 TN/m3 (dato facilitado por ICINCO). De esta manera aplicando PROTODYAKONOV obtenemos las tensiones vertical y horizontal ejercidas en el túnel. El diagrama de tensiones según PROTODYAKONOV es el que se ve en el esquema siguiente.
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CALCULO DE LAS TENCIONES VERTICAL Y HORIZONTAL.
Tensión vertical: σv = Ƴh
Tensión horizontal: σh = γ (Hp + 0.5 Ht) tg² (45 - φ/2)
Siendo:
b = B + 2Ht.tg (45 - φ/2)
;
Hp = b/2f
Siendo: B= ancho del túnel. m= altura del túnel. ϕ= ángulo de rozamiento interno, consideramos 45º.
f= factor de PROTODYAKONOV.
SECCIÓN 1
B=7.79 m=9.55
b = 7.79 + 2x9.55.tg (45 - 45/2) = 15.7
h= (15.70)/2x8=0.981
σv = 2.4x0.981=2.35 TN/m2
σh = 2.4 (0.981 + 0.5x9.55) tg² (45 - 45/2)=2.37 TN/m2
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SECCIÓN 2
Se corresponde con la sección de transición desde la 1 a la 3, entendemos que si las secciones 1 y 3 cumplen, la 2 también cumplirá.
SECCIÓN 3
B= 6.8 m=7.7
b = 6.8 + 2x7.7.tg (45 - 45/2) = 13.18
h=
(13.18)/2x8=0.824
σv = 2.4x0.824=1.978 TN/m2 σh = 2.4 (0.824 + 0.5x7.7) tg² (45 - 45/2)=1.925 TN/m2
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CONCLUSIONES DE LOS RESULTADOS DE LAS TENSIONES.
Los valores de presión obtenidos son:
Los materiales a perforar, o sea, los sedimentos de Time, han sido estudiados por los laboratorios ICINCO, estos laboratorios nos han facilitado los datos de la resistencia de los mismos. Los valores de tensión admisible se encuentran entre 1Kg/cm2 más superficiales, mientras que a mayor profundidad, donde los materiales se encuentran más consolidados se alcanzan valores hasta 4Kg/cm2. Comparando los resultados obtenidos tras el método de PROTODYAKONOV con los valores que nos facilita ICINCO se llega a la conclusión de que no será necesario ningún tratamiento en el túnel, salvo que se encuentren zonas donde existan materiales que puedan desprenderse y que puedan afectar a la seguridad del personal.
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CONCLUSIONES
La experiencia en los países soviéticos muestra que este método funciona más o menos bien para profundidades comprendidas entre B/(2·tg φ) y B/tg φ.
Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado.
Afirma que las tensiones sobre el revestimiento sólo dependen de esa altura autoestable y no de la profundidad total, pero no es algo válido para todos los terrenos.
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