REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE PERNOS DE ANCLAJE 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

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1 REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE PERNOS DE ANCLAJE 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

2 Elementos de Sostenimiento A - Perno con anclaje expansivo B - Estabilizador de Fricción C - Perno Cementado 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

3 RESISTENCIA EN TRACCIÓN La acción principal de todos de pernos para roca es el de resistir el movimiento o el disloque del terreno. En general en la roca dura este disloque es el resultado por las fallas y fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presión vertical o horizontal, por el efecto de la gravedad en los bloques y con el efecto de las variaciones en la temperatura y humedad en la roca masiva. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

4 PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN Un perno para roca con anclaje de expansión controla el movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina de apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de aproximadamente 3.5 Tn y tiene una resistencia en tracción (ROTURA) máxima de 12,5 Tn. Utilizado generalmente en las estructuras de roca masiva con bloques o estratas. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

5 ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN SPLIT SETS Estabilizadores de fricción están constituidos por un trozo de tubo de acero más ancho que el diámetro de la perforación y que es partido a lo largo por el centro. La fricción ejercida por los costados del perno lo mantienen en su lugar creando fuerzas que se extiendan radicalmente. Este proceso provee la fuerza de fricción (1 1.5 Tn/pie) que actúa previniendo el movimiento o separación del terreno. Utilizado generalmente en roca severamente agrietada o fracturada sujeta a condiciones de baja tensión. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

6 RESISTENCIA DURANTE LA INSTALACIÓN Verificar la resistencia del perno durante la instalación, el tiempo de instalación por un estabilizador de 2,1 metros (7 pies) debe ser 1 hasta 1,5 minutos. La resistencia de un estabilizador de fricción se puede variar con ; 1. Diámetro del taladro 2. Tipo de roca 3. Fracturas, fallas 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

7 PERNOS CEMENTADOS ( LECHADA DE RESINA O CEMENTO) Los pernos fabricados de acero corrugado instalados en una lechada de resina o cemento resiste el movimiento del terreno debido a los puntos de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro de la perforación y de la estructura de la roca ( Tn/pie). Se recomienda para todos tipos de estructuras para el sostenimiento de altra resistencia y a largo plazo. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

8 PERNOS DE BARRA DE CONSTRUCCION PERNOS CEMENTADOS DESCRIPCIÓN: Pernos de Barra de Construcción, barras laminadas en caliente con resaltes, con roscas cortadas en un extremo para aceptar una tuerca cuadrada. Las roscas conformen con 3/4 10 NC o 1 8 NC. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

9 PERNOS CEMENTADOS BARRA HELICOIDAL DESCRIPCIÓN: (BH)- Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una tuerca que puede rodar longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la barra. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

10 REFUERZO EN EL MACIZO ROCOSO El modo de acción del refuerzo en un medio discontinuo pretende un mejoramiento en las propiedades estructurales de la roca, también evitar grandes desplazamientos de bloques completos Dos de los más importantes factores son: la factibilidad cinética (el hecho de que los bloques están libres al movimiento, dada la situación geométrica de las áreas expuestas en el macizo rocoso de la excavación) y el carácter del refuerzo (cantidad, longitud y orientación). 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

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13 Tomando el volumen EDZ= V, sobre 1m2 de área de túnel, el peso de EDZ es: 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

14 Teoría de Bloque: 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

15 DISEÑO DE REFUERZO Cuando la condición estructural es importante, es decir, cuando la masa de roca se encuentra altamente fracturada, puede ocurrir una respuesta del tipo discontinuo y los bloques de roca pueden moverse hacia la excavación, generando de esta manera una condición potencial de riesgo, pudiendo inclusive ocurrir el desmoronamiento parcial o total de la excavación 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

16 FACTORES DE DISEÑO QUE DEFINEN LA EFICIENCIA DEL REFUERZO DE LA ROCA OPERACIÓN: 1. INSTALACION OPORTUNA 2. INSTALACION ADECUADA 3. TECNOLOGIA ADECUADA: 1. MATERIALES 2. INSTALACIÒN CALIDAD: 1. CONTROL DE CALIDAD: 1. MATERIALES 2. INSTALACION ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD

17 REQUERIMIENTOS PARA UN SISTEMA DE REFUERZO SATISFACTORIO 1. Instalación rápida, cercana al frente. 2. Lograr un contacto íntimo entre la roca y el sistema 3. El sistema debe ser flexible y capaz de deformarse de modo compatible a los desplazamientos del macizo rocoso. 4. Adaptación rápida a cambios de condiciones y de tamaño de la excavación 5. Mínima obstrucción del espacio libre de la galería o túnel

18 ROCA MASIVA O LEVEMENTE FRACTURADA Y FRACTURADA El sistema de sostenimiento con pernos de roca es controlar la estabilidad de los bloques y cuñas potencialmente inestables. Cuando los bloques o cuñas son aislados, se puede estabilizarlas con pernos puntuales o aislados, caso contrario se usa un reticulado sistemático en todo el techo y/o paredes de la excavación.

19 ROCA ESTRATIFICADA SUBHORIZONTAL Y ROCA NO ESTRATIFICADA Con un sistema dominante de discontinuidades sub-horizontales, los pernos ayudan a controlar el desplazamiento relativo entre los estratos, aumentando la rigidez de la viga estructural que forman y creando compactaciòn entre los bloques tabulares, para minimizar la deflexión del techo. Esto es lo que se llama también el efecto viga. Este concepto puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades sub-verticales, generando el denominado efecto columna, para minimizar el pandeo de los bloques tabulares.

20 COMPORTAMIENTO DEL REFUERZO EN ROCA FRACTURADA El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad. El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

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22 TEORIAS DE REFUERZOS Teoría de Suspensión La teoría de Jun Lu Luo (1999) se refiere a la formación de vigas inmediatamente después de realizada una excavación. Este fenómeno se advierte principalmente en el estrato inmediato sobre el techo. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

23 La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la estabilidad bajo cierto factor de seguridad, SF, puede ser escrita como: 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

24 2 Teoría construcción de viga 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

25 EFECTO VIGA

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27 1.9.3 Entrelazado 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

28 TRANSFERENCIA DE CARGA Esta acción de abrazadera es diseñado para prevenir bandeamientos o laminaciones expuestas a fallar, por lo tanto mantener la capacidad portante del estrato Tensión en el perno previene el movimiento o deslizamiento 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

29 EFECTO COLUMNA 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

30 ROCA FRACTURADA E INTENSAMENTE FRACTURADA Los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial, cada perno crea una resistencia mas adecuada, que al interactuar con los pernos adyacentes forman un arco portante que trabaja a compresión denominado efecto arco, el mismo que da estabilidad a la excavación. Existen también, otros principios bajo los cuales funcionan los pernos de roca para tratamientos específicos, como asegurar o coser zonas de falla, zonas de corte y otras zonas de debilidad, instalados cruzando estas zonas. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

31 EFECTO ARCO GENERADO POR INTERACCION DE ESTRATOS DE ROCA Y RESISTENCIA DE LOS PERNOS. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

32 EFECTO ARCO El refuerzo trabaja como una grampa previniendo la falla del macizo rocoso, bajo este concepto actúa para: 1. Mantener su capacidad de auto soporte 2. Prevenir la expansión de la roca EFECTO DE TENSIÒN Y CORTE 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

33 Calculo de Soporte de Bloque: Si tomamos uno de los fundamentos de diseño que tiene relación con el factor de seguridad (SF), entonces para este caso: La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la estabilidad bajo cierto factor de seguridad, SF, puede ser escrita como 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

34 SOSTENIMIENTO DE BLOQUES Se basa en que cada perno debe estar anclado, a lo largo de una longitud suficiente para agotar la carga axial que la barra del perno debe soportar, y su densidad expresada por el numero de pernos por cada cm 2 de superficie de roca a sostener, debe ser suficiente para equilibrar el peso de la roca que debe ser sostenida. Anclaje de un bloque sin cohesión en los contactos.

35 Anclaje de un bloque con cohesión en los contactos. W cos β R = Ca + W cos β tanφ W sen β β

36 Para este caso para anclar el bloque de roca, el numero de pernos que es necesario colocar estará defino por la siguiente relación matemática: N W f. sen B cos. tag cos. tag f. sen c. A Donde: N = numero de pernos, colocados con una inclinación (º) W = peso del bloque de roca f = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3 Φ = Angulo de fricción en la superficie del contacto, de inclinación β. c = cohesión en la superficie del contacto de inclinación β. B = fuerza vertical que puede soportar un pernos. A = longitud del contacto afectado por el deslizamiento.

37 Sostenimiento de un bloque inestable anclado al techo de roca sólida. Roca sólida Estratos de roca inestable = h S W c s h

38 El máximo peso que puede soportar un perno esta dado por la siguiente expresión matemática: W F. s. c. h. Donde: F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3 s = Espaciado transversal de los pernos c = espaciado longitudinal de los pernos h = espesor de los estratos de roca que deben ser anclados ρ = densidad de la roca

39 Si no hay cohesión entre los contactos, el numero de pernos que deberá colocarse para sostener un bloque de roca, estará dado por la siguiente expresión matemática: Donde: N W. B F N = numero de pernos W = peso del bloque de roca F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3 B = fuerza vertical que es capaz de soportar un perno.

40 La fuerza axial, F A, que puede soportar la barra del perno se calcula usando la siguiente relación matemática: F A = Fuerza axial D = diametro del perno F A. D 4 2. A σ A = resistencia especifica del acero F T = fuerza de adherencia D = diametro del perno L = Longitud anclada del perno = Adherencia del perno a la roca. F T. D. L.

41 La resistencia efectiva del perno estará dada por la menor de las dos fuerzas F A o F T. El perno-roca tiene una conexión c y un ángulo de rozamiento Φ, la tensión tangencial,, que podrá generase admitiendo un comportamiento Mohr-Coulomb. c tag σ = Tensión circunferencial que se genera en la roca durante la excavación, los pernos se colocaran radialmente. Si la roca plástica esta en condiciones residuales, lo que significa que ha perdido su cohesión, la tensión tangencial que podrá soportar un perno será:. tg r

42 COLOCACION DE PERNOS EN MACIZOS ROCOSOS INTENSAMENTE PLASTIFICADOS.

43 Actualmente, la mejor forma de calcular las cargas a que están sometidos los pernos se realiza mediante un análisis tenso-deformacional con aplicación de elementos finitos. Una de las formas de modelar el comportamiento del perno consiste en utilizar un elemento barra y definir una rigidez axial, K a, para calcular la fuerza axial que actúa sobre la barra del perno y otra rigidez tangencial, K b, para calcular la adherencia entre el perno y la roca.

44 Rigidez tangencial y axial de un perno. RIGIDEZ AXIAL (K A ) de un perno relaciona la fuerza axial aplicada F en su extremo y el desplazamiento que se produce, F K A S b Fuerza longitudinal del perno K b Desplazamiento del perno relativo al material del entorno.

45 Rigidez tangencial y axial de un perno. S b Fluencia Fuerza axial en el elemento E a Ruptura Deformación axial en el elemento

46 Mediante la siguiente expresión matemática, se puede calcular la rigidez axial K a. K a E b. 4. D L 2 Donde: K a = Rigidez axial E b = modulo de elasticidad de la barra de acero del perno D = Diametro del perno L = Longitud del perno

47 Por otro lado, la rigidez tangencial K b puede obtenerse mediante ensayos a tracción in-situ sobre pernos cortos. Donde: F T = Fuerza de adherencia del perno U a = Desplazamiento del perno hasta deslizar L = Longitud del perno. F K. U. L T b a

48 CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJE. Algunos autores han clasificado los pernos de roca teniendo en cuenta lo siguiente: Los pernos de anclaje tradicionalmente se han clasificado en función del anclaje en el macizo rocoso, anclaje puntual, o a lo largo de toda la barra del perno, anclaje repartido. Actualmente con el avance de la tecnología se clasifica los pernos de roca según el mecanismo en el que se fundamentan: Adherencia y fricción.

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50 PERNOS DE ROCA Los sistemas de refuerzo con pernos de roca minimizan las deformaciones inducidas por efecto de la carga litostàtica, y aquellas inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a la excavación. El principio fundamental consiste en controlar las deformaciones de la superficie de la excavación, restringiendo los desplazamientos relativos de los bloques de roca adyacentes.

51 PERNOS DE ROCA Los pernos de roca, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro efectuado en el macizo rocoso y se adhieren a ésta por un procedimiento mecánico o por medio de una sustancia adherente. Por otro lado, otros investigadores han clasificado a los pernos de roca por: Su forma de actuar, existen en principio dos tipos de pernos: Los activos y Los pasivos.

52 Pernos de roca activo. El perno de roca activo funciona como un anclaje: está unido a la roca por la punta, tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El perno se tensa a una carga comprendida entre 6 y 15 Tm., según tipos y diámetros, y la placa transmite dicha carga al macizo rocoso.

53 PERNOS DE ROCA PASIVO. El Perno de roca pasivo, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa de manera similar a las armaduras del concreto; desarrolla su trabajo una vez que el macizo rocoso empieza a deformarse. Teóricamente no es necesario el uso de placa, aunque se suele usar para sujetar la malla, si éste existe.

54 PERNOS DE ROCA PASIVO. En la construcción de túneles se usa casi siempre el perno pasivo. Las razones son fundamentalmente dos: Es más rápido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual ésta desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios básicos de la construcción moderna de túneles). Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de pernos en función de su sistema de colocación y adherencia a la roca. Los más utilizados son los siguientes:

55 PERNO DE ANCLAJE MECANICO Consiste en una barra de acero con un dispositivo de expansión en el extremo final, que se abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento. La barra se tensa mediante una tuerca en el extremo (cabeza). Es un perno activo, y su uso es muy limitado. La fuerza de anclaje es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el tiempo tiende a disminuir la fuerza de anclaje por relajación del sistema de expansión.

56 PERNOS MECANICOS CON ANCLAJE DE EXPANSIÓN CC 35 Grado - SAE 1045 Roscas Laminadas 9/16" E Diámetro nominal 5/8" (15.8 mm) T1 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo tuerca mm ( 1-4 " ) T2 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo anclaje 140 mm ( 5.5" ) L Longitud del perno en metros ±6.4 mm TUERCAGrado 2, roscas 9/16" NC. x 1 1/8" cuadrada LONGITUDES DISPONIBLES: 1.0m - 1.5m - 2.0m - 3.0m 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

57 PLATINA DE APOYO TIPO CUPULA: Acero A36, agujero 15/16" Espesor: 6.4 mm ( 1/4" ) Largo : 127mm-150mm ( 5" - 6" ) Ancho : 127mm-150 mm ( 5" - 6" ) PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES DE EXPANSION La acción de girar la tuerca hace que la cuña roscada se mueva a lo largo de la porción extrema roscada del perno, además de forzar las hojas laterales del anclaje hasta ampliar su diámetro y entrar en contacto con la pared del taladro. Esto da lugar a una resistencia de fricción en el extremo del anclaje y tensión en el perno. Esta tensión es relativa a la cantidad de esfuerzo de torsión (torque) aplicado y del tipo de roca en que se apoyará el anclaje. Los pernos mecánicos con anclajes se utilizan generalmente en estructuras de roca masiva con bloques o estratificado. Se usa un adaptador con una caja de 28mm cuadrada (1 1/8") y un barreno hexagonal de 7/8" para la instalación del perno. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

58 PARAMETROS A CONSIDERAR EN LA INSTALACION DE PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES: Diámetro de perforación: 36-38mm mm. TORQUE: lb-pie Tipo de Roca: masivo-estratificado, calidad II-IIIA (RMR>50) 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

59 ANGULO DE INSTALACIÓN Con una inclinación de 45 grados un perno puede perder hasta un 50% de su tensión final por cizallamiento. Ejemplo de un perno mecánico de 5/8 con cabeza forjada hecho en acero SAE ANGULO TENSIÓN 0 100% 10 80% 35 60% 45 50% 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

60 ADAPTADOR ESTANDAR PARA LA INSTALACION DE PERNOS MECANICOS Cortar el culatín del barreno a 7.5cm (3 pulg.) del collarín. 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

61 AL INSTALAR LOS PERNOS CON ANCLAJES, NO OLVIDE... Camisa plástica Alas de fricción Revisar el estado del perno,las roscas y el anclaje Asegurarse que los anclajes giren libremente Ajustar el anclaje al diámetro del taladro Sacar la camisa plástica del anclaje antes de insertarlo Se recomienda un torque y tensión adecuada para la instalación 9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

62 DESCRIPCION DE LOS PERNOS DE ANCLAJE MECANICO. Un perno de anclaje mecánico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16 mm de diámetro, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión que va al fondo del taladro. Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o con rosca, en donde va una placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, para presionar la roca. Su acción de reforzamiento de la roca es inmediata después de su instalación. Mediante rotación, se aplica un torque de 100 a 250 lb-pie a la cabeza del perno, el cual acumula tensión en el perno, creando la interacción en la roca.

63 COMPONENTES DE UN ANCLAJE MECANICO