Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Geotecnia

CLASE Nº 1 DE TÚNELES

Prof. Silvio Rojas Mayo, 2009

Rocas:

IGNEAS INTRUSIVAS

EXTRUSIVAS

Granito

SEDIMENTARIA CLÁSTICAS

Conglomerad o

Sienita

Arenisca

Diorita

Limonita

Gabro

Lutita

BASALTO PIEDRA PÓMEZ

NO CLASTICAS

Caliza

Gneis Textura foliada d > 2 mm Esquisto Textura foliada 0.2 mm< d < 2 mm Filita Textura foliada d < 0.2 mm Pizarra Textura foliada d < 0.2 mm Serpentina

Coquina

Cuarcita Textura granuda

TRAQUITA

Dolomía

Mármol Textura granuda

OBSIDIANA

Marga Ftanita

Rocas piroclásticas:

METAMORFICAS

Salen expulsadas violentamente por el volcán F< 2 mm tobas de cenizas F > 2 mm redondeados (aglomerados volcánicos) F> 2 mm angulosos (brechas volcánicas)

Sedimentarias de origen químico: Calizas: •Formada por conchas y esqueletos de animales y plantas •Absorben el carbonato de calcio (CaCO3) del agua de mar para formar sus partes duras •Se forman en aguas profundas Coquina: •Es un tipo especial de caliza •Formada por conchas calcáreas bien notables y mal cementadas. Creta: • Otro tipo especial de caliza •Formada por conchas diminutas o fragmentos de concha, cementadas por material calcáreo, es una roca blanda, friable y porosa. Dolomía: •Resulta de remplazar el calcio Ca de una caliza por magnesio Mg.

Marga: Sedimentos marinos que consisten en arcilla y fragmentos finos de conchas calcáreas, lo mismo que sedimentos que consisten en arcilla y CaCo3. Ftanita: Rocas calcáreas con nódulos de silíceo. Metamórficas: Cuarcita: a.- Formada por la cementación de los granos de cuarzo de la arenisca por materia silícea depositada dentro de la arenisca por circulación de agua subterránea. b.- Formada por metamorfismo, debido al cual se ha eliminado los espacios porosos en la arenisca (consolidación y reacomodo de los granos de cuarzo). Mármoles: Se han formado de calizas o dolomías.

Relación suelo – roca: Suelo

Roca sedimentaria

Roca metamorfica

Grava redondeada Grava angular

Conglomerado Brecha

Meta conglomerado

Arena

Arenisca

Cuarcita

Limo Arcilla

Limonita Lutita

Pizarra Esquisto Filita

Barro calcáreo Fragmentos de conchas

Caliza

Mármol

Colores de los minerales: Color claro: Blanco, rosado, rojo Color intermedio: Grises Color oscuro: Verde, negro

Para las rocas igneas: Minerales

Grano grueso

Grano fino

Color

Cuarzo

Granito

Riolita

Claro

Feldespato

Diorita

Andesita

Intermedios

Piroxenos, anfiboles, olivino

Gabro

Basalto

Oscuros

Estructuras presentes

Ígneas

Metamórficas

Sedimentarias

Fallas, diaclasas, diques, pliegues, coladas de lavas.

Foliación, esquistosidad, fallas, diaclasas, pliegues.

Estratificación, diaclasas, fallas, pliegues.

Concepto de Rumbo-Buzamiento-Dirección de Inclinación: El rumbo (R) (o dirección) se puede definir: Como el ángulo que forma la línea que resulta por la intersección del plano geológico por un plano horizontal, con la dirección Norte –Sur. Generalmente se mide desde la dirección norte a la dirección horizontal de interés, y por tanto su valor varía de 0º a 90º NE o 0º a 90º NW (Cuando R = 90 La dirección será ESTE-SUR y cuando R= 0º la dirección será N-S).

Dirección Norte-Sur

El buzamiento (β) es el ángulo que forma la línea de máxima pendiente del plano inclinado, con la proyección línea de máxima pendiente en el plano horizontal. Dirección de buzamiento (α): Es el ángulo que forma la dirección N-S con la proyección de la línea de máxima pendiente en el plano horizontal, y se mide en sentido horario, variando su valor desde 0º hasta 360º.

Discontinuidad en las rocas: “Término general para cualquier discontinuidad mecánica en un macizo rocoso que tiene una resistencia a la tracción nula o muy baja. Es el término colectivo para la mayoría de las diaclasas, planos de estratificación débiles, planos de esquistosidad débiles , zonas débiles y fallas.”

Diaclasas son rupturas en las rocas sin desplazamiento lateral (no existe cizallamiento) y las originan movimientos tectónicos (movimientos de la corteza terrestre).

¿por qué son importantes? Limitan las dimensiones del bloque aprovechable.

El bloque más grande será de 10 x 20 x 30: Frecuencia de diaclasas: Se expresa como el número de diaclasas por metro lineal 10:1

5:1

0.5:1

Las diaclasas pueden ser cerradas o abiertas. Son vías de acceso a los agentes atmosféricos.

Diaclasas maestras: Cortan a través de un número de capas o unidades de roca y pueden ser seguidas hasta en longitudes de decenas o cientos de metros. Diaclasas mayores: Tienen un orden de magnitud más pequeño. Diaclasas menores: Son fracturas

Diferentes rocas se comportan diferente en un campo de fuerzas. Generalmente algunos materiales prefieren una deformación plástica, otros se rompen. La foto muestra dos capas (calizas, cretácico).

Calizas con un comportamient o diferente. Roca diaclasada

Ambas calizas están en contacto

Estrato más antiguo. Tiene un comportamiento plástico

Aparte de diaclasas tectónicas existen diaclasas de origen no-tectónico: a) Fisuras de enfriamiento: Tienen su origen durante el enfriamiento de una roca magmática (Materiales o rocas calientes que ocupan más espacio con la misma cantidad de materia fría). b) Grietas de desecación: Durante la desecación de un barro o lodo bajo condiciones atmosfericas hay una disminución del espacio ocupado y la superficie se rompe en polígonos. c) Fisuras de tensión gravitacional: Sobre estratos inclinados se puede observar bajo algunas condiciones un deslizamiento de las masas rocosas hacia abajo. Al comienzo de este fenómeno se abren grietas paralelas al talud.

Fallas: Una falla geológica, es una discontinuidad que se forma en las rocas superficiales de la Tierra (hasta unos 200 km de profundidad) por fractura, cuando las fuerzas tectónicas, superan la resistencia de las rocas. La zona de ruptura tiene una superficie generalmente bien definida denominada plano de falla y su formación va acompañada de un deslizamiento de las rocas tangencial a este plano. FRACTURAS EN LAS ROCAS CON DESPLAZAMIENTO. Con desplazamiento derecho entre las Placa Norteamericana y la Placa del Pacífico. Este sistema tiene una longitud de aproximadamente 1.287 km y corta a través de California, Estados Unidos, y de Baja California en México. El sistema está compuesto de numerosas fallas o segmentos.

Elementos de una falla •Plano de falla: Plano o superficie a lo largo de la cual se desplazan los bloques que se separan en la falla. Con frecuencia el plano de falla presenta estrías, que se originan por el rozamiento de los dos bloques.

Bloque Inferior Bloque Superior

Labio levantado: También llamado Bloque Superior, es el bloque que queda por encima del plano de falla.

•Labio hundido: También llamado Bloque Inferior, es el bloque que queda por debajo del plano de falla.

Tipos de falla: I.I.- Clasificació Clasificación segú según la naturaleza del movimiento Falla inversa. inversa Este tipo de fallas se genera por compresión horizontal. El movimiento es preferentemente horizontal y el plano de falla tiene típicamente un ángulo de 30 grados respecto a la horizontal. El bloque de techo se encuentra sobre el bloque de piso. Cuando las fallas inversas presentan un manteo inferior a 45º, estas pasan a tomar el nombre de cabalgamiento. cabalgamiento Labio superior ha ascendido respecto al labio inferior.

aprox 30º

Fuerza de compresión horizontal predominante.

En la Región Atacama (Chile) se puede detectar altas cantidades de fallas a causa de la ubicación geotectónica de la región y del país. Foto: Sector Qda. Carrizalillo, Qda Descubridora. Formación Cerrillos (inferior). Desplazamiento de estratos (rocas clásticas y volcánicas). Falla inversa con alrededor de 10 metros de desplazamiento

La falla (Falla inversa) en este sector tiene un rumbo este oeste. Foto W. Griem (2002)

Falla normal. Este tipo de fallas se generan por tensión horizontal. El movimiento es predominantemente vertical respecto al plano de falla, el cual típicamente tiene un ángulo de 60 grados respecto a la horizontal. bloque de piso

bloque de techo hacia abajo Esfuerzo de tensión

Aprox 60º

Fallas normales son un producto de fuerzas extensionales, fallas inversas un producto de fuerzas de compresión.

Idea para diferenciar entre falla normal e inversa: Una falla normal produce un "espacio". Se puede definir un sondeo vertical sin encontrar un piso (o techo) de referencia. Una falla inversa produce una "duplicación": Se puede definir un sondeo vertical para encontrar el mismo piso (o techo) de referencia dos veces.

La palabra antitetica indica que la falla y los estratos se inclinan hacia los direcciónes opuestos. Homotetica significa, que los estratos y la falla tienen la misma dirección de inclinación.

II.- Según la relación de capas cortadas a.- De rumbo o isorumbadas: Rumbo de la falla paralelo al rumbo de las capas

b.- De buzamiento u ortogonales: Rumbo de la falla perpendicular a rumbo de las capas

c.- Oblicuas: Rumbo de la falla forma un ángulo diferente a 0º y 90 º, con el rumbo de las capas.

III.Según buzamiento

la

magnitud

a.- Buzamiento altos (β) > 45º b.- Buzamientos bajos (β) < 45º

de

IV.- Según la dirección del movimiento a.- Con desplazamiento de rumbo

En este caso es un rí río el que revela la falla. falla El río viene del lado este (parte inferior derecha), y luego corre a lo largo de la línea de falla por varios cientos de metros, para finalmente continuar su rumbo hacia el lado oeste (parte media izquierda).

La imagen corresponde a la famosa Falla de San Andréss. En este caso decimos que es de rumbo (u horizontal) porque los bloques no se desplazan vertical sino horizontalmente, manteniéndose al mismo nivel.

Existen principalmente dos tipos de fallas con un desplazamiento horizontal: Fallas con un sentido del movimiento sinistral (contra reloj) y fallas con un sentido del desplazamiento dextral (sentido del reloj).

b.- Con desplazamiento de buzamiento Fallas con Desplazamiento Vertical : Entre el grupo de las fallas verticales se puede distinguir fallas normales y fallas inversas.

c.- Con desplazamiento oblicuo

Se observa doblez pero no fractura. Roca de comportamiento plástico o la roca todavía no estaba bien consolidada cuando ocurrió el movimiento

Otra posibilidad es que las rocas como éstas, compuestas por material muy fino (limoso a arcilloso) no se comportan de igual forma que una roca de material grueso, sino que responden a los esfuerzos de una forma má más elá elástica, stica formando pliegues en vez de fracturas.

Brechas de falla: Brechas de fallas permiten también un reconocimiento bien seguro de una falla. Las brechas de falla rellenan espacios entre 5 cms hasta algunos metros. Algunas veces son semi - blanda, pero también pueden ser compactadas.

Los clastos son angulares, monomictos y de diferentes tamaños. Fotos: Wolfgang Griem (2002)

Algunas veces las rocas en la zona de falla se rompen y se quiebran, para formar una brecha tectónica o brecha de falla. Brechas de fallas normalmente muestran una dureza menor que las rocas no afectadas. Por eso morfológicamente una brecha de falla se ve como depresión.

Estrías de falla: Una de los indicadores más confiables de detectar una falla tectónica en terreno son las estrías, que se forman a causa del movimiento relativa en las rocas.

Sector Mina escuela de la Universidad de Atacama (2002)

Las fallas muchas veces no afloran a la superficie porque la zona de falla es más blanda que las rocas alrededores. La erosión entonces afecta los sectores de la falla más que las otras partes de la zona. La zona de falla se ve como un valle con un relleno de rocas sueltas (como arena y gravas) cuales cubren el fondo del valle.

Desarollo de un Graben Tectónico Un graben tectónico (fosa tectónica) tiene su origen a fuerzas extensionales, cuales producen dos fallas paralelas con un sector central, que se hunde. Casi nunca en la naturaleza se encuentra este desplazamento en la morfología, porque la erosión rapidamente va a destruir este diferencia de niveles: Significa la erosión afecta mas fuerte los flancos elevados y la fosa se rellenará rapidamente con depósitos aluviales.

Pliegues:

Plegamiento es un producto de una deformación plástica, es decir una deformación sin fracturamiento. Las dimensiones pueden ser en milímetros hasta kilómetros.

Las fuerzas provocan una deformación plástica no reversible. Esto tipo de deformación ocurre en algunas tipos rocas principalmente debido al metamorfismo.

En las rocas sedimentarias, los elementos de carácter horizontal como los estratos quedan curvados y en las rocas metamórficas la esquistosidad queda curvada.

Anticlinal

Los pliegues se originan por esfuerzos de compresión sobre las rocas que no llegan a romperlas

Fuerzas laterales, originados por la propia interacción de las placasa (convergencia)

Fuerzas verticales, como resultado del levantamiento debido al fenómeno de subducciónn, en la que se levantan las cordillerass o relieves de plegamiento.

Eje del Pliegue Con rumbo paralelo a la estructura. El eje puede ser inclinado. (En el ejemplo abajo se ve horizontal). Plano Axial contiene al eje del pliegue La Charnela de un pliegue es el punto más curvado ("La curva"). La cresta el punto más elevado. Muchas veces los dos marcan al mismo punto.

Declive: eje inclinado

Anticlinal: a) El eje es un eje de símetría b) los dos lados del anticlinal muestran direcciones (de inclinación) diferentes. c) los estratos se inclinan siempre hacia los flancos. d) en el centro la pendiente es pequeña o cero (estratos horizontales) e) del centro hacia los flancos la inclinación aumenta. f) en el centro (nucleo) afloran los estratos más antiguos en los flancos los más jovenes.

Sector El Escorial / Qda. Paipote, III. Región / Chile (Foto W.Griem 1999, 2005)

Sinclinal a) Su eje es de símetría b) los dos lados del sinclinal muestran direcciones (de inclinación) diferentes c) los estratos se inclinan siempre hacia el nucleo. d) en el centro la pendiente es pequeña o cero (estratos horizontales) e) del centro hacia los flancos la pendiente aumenta. f) en el centro (nucleo) afloran los estratos más jóvenes en los flancos los más antiguos.

El mismo sector, un pequeño sinclinal forma parte del gran pliegue Foto en grande Foto: Sector El Escorial en la Quebrada Paipote, Región Atacama, Chile: Un gran anticlinorio en calizas y margas jurásicas. (Foto W. Griem; 2005)

Los estratos más blandos se erosionan más rápidos. Por tanto los valles y quebradas se forman a lo largo de ellos.

Otro ejemplo del plegamiento en rocas metamórficas de la cordillera de la costa en la Región Atacama (Chile). Los esquistos muestran un fuerte plegamiento - el eje en este ejemplo es casi horizontal (lápiz en el centro - abajo) Foto: Pliegues en rocas metamórficas - Cordillera de la costa entre Flamenco y Chañaral; Foto W. Griem (2005; K7853) Foto en grande

Foliación: Exclusivamente de las rocas metamórficas, señalando la orientación de los minerales, producto de los cambios de presión y temperatura. a) Foliaciones primarias Tienen su origen antes de la litificación, es dicir durante la deposición. Ejemplos: Estratos, Flujo magmatico. b)Foliaciones secundarias Tienen su origen despues de la litificación. Todos los planos se han formado a causa de las altas presiones y btemperaturas.

Estratificación: Disposición de la roca sedimentaría. Término que se aplica para separar dos litologías diferentes o la misma litología depositadas en periodos distintos. Capas de diferentes materiales hechas por procesos de deposición. Generalmente los estratos inferiores muestran una edad mayor como los estratos superiores.

Aplicado a rocas sedimentarias

Diques: Diques son estructuras tabulares de origen magmático. Las rocas de diques pertenecen al grupo de rocas intrúsivas o hipabisales.

•Edad menor que en la roca donde encajan •Pueden llegar hasta alturas de 200 m, pero lo normal es 0.5m a 6 m. •tienen un origen magmático intrusivo (subvolcanico o hipabisal) • Diques sirven como testigo de una fase tectónica expansiva. Pero tambien se incrustan en una forma paralela de estratos (sí el campo tectónico es permite). Estos diques se llama sills.

Cabalgamientos son grandes planos de fallas horizontales cuales muestran un movimiento horizontal. Generalmente no es tan fácil para detectar esos tipos de estructuras grandes. Común son cabalgamientos en las regiones donde se conocen altas fuerzas compresivas (por ejemplo durante el choque de dos continentes. Estos movimientos (desplazamientos) pueden alcanzar algunos kilómetros.

Autoctono: Rocas que se formaron en el lugar mismo. Aloctono : Rocas que se formaron en otros sectores, y por fuerzas tectónicas se desplazaron. Ttambien se puede llamar manto tectónico (nunca solamente manto!).

Cronología de estructuras geológicas: Estructuras tectónicas como fallas, diaclasas y diques marcan edades (relativos) de su origen. El principio es muy simple: 1. Cada estructura tectónica es más joven que la la roca donde encaja. Es decir: las fallas, diaclasas, vetas, y diques en una roca siempre tienen una edad menor como la roca. 2. Una estructura tectónica joven puede cortar una estructura antiagua. Es decir: la genesis de un elemento tectónico afecta a las estructuras tectónicas antiguas.

Factores relacionados con las discontinuidades: 1.- Orientación (rumbo y buzamiento) 2.- Espaciamiento (inverso de la frecuencia)

3.- Persistencia: Es un factor difícil de medir y está referido a la continuidad del la discontinuidad en el macizo.

Si una diaclasa no es 100 % persistente, difícilmente la falla ocurrirá a través de ese plano.

4.- Abertura: ancho de la fractura 5.- Relleno: El relleno dentro de las discontinuidades, puede ser arcilla, arena, o mezcla de varios tipos de suelos. La resistencia de la discontinuidad estará determinada por el tipo de suelo de relleno. 6.- Forma de la discontinuidad y rugosidad. La forma puede ser: Plana, ondulada, escalonada.

La rugosidad, está asociada a la fricción. 7.- RQD: Roca Quality Design (Indice de la calidad de la roca)

Longitud _ de _ núcleos ≥ 10cm ∑ RQD = .100 Longtitud _ rotada

Longitud _ núcleo _ recuperado ∑ % Re cuperación = .100 Longitud _ rotada

Ejemplo:

Diámetro Mínimo para el RQD es de 50 mm.

Rocas sedimentarias:

Rocas Igneas:

Rocas metamórficas:

Túneles:

Eje de portales Perpendicular al eje de los túneles.

Buzamiento de los portales definidos por la pendiente del terreno natural

Norte magnético Rumbo del túnel

Rumbo del portal

Rumbo del portal

Evaluar la estabilidad de los portales es evaluara la estabilidad del terreno natural. Si es inestable o factores de seguridad muy bajos, entonces se debe anclar. Para la seguridad de los hastíales y techo: Concreto proyectado, pernos y costillas

Ubicación del túnel respecto a las capas: • Eje del túnel paralelo al eje del anticlinal. • Ambos hastíales son cinemáticamente estables. • Rumbos de las capas perpendiculares al rumbo de los portales. • Rumbo de las capas paralelo al eje del túnel.

•Se debe evitar construir el túnel paralelo al eje del anticlinal. • Siempre existirá agua en el túnel • Aumentará la permeabilidad. (permeabilidad secundaria: Flujo a través de discontinuidades y grietas)

No hay problemas por filtraciones, si la capa impermeable está sin fisuras.

• Eje túnel paralelo al eje del sinclinal • Rumbo de capas paralelo al eje del túnel • Rumbo de capas perpendicular al rumbo de portales. • Ambos hastíales son cinematicamente inestables. • Posible zonas de grietas en la zona más baja y de menor resistencia del sinclinal.

Norma: No orientar él túnel paralelo a ejes de anticlinales o sinclinales. • Túnel ubicado en suelo estratificado con capas horizontales (infinitos rumbos para las capas) • Los hastíales son cinemáticamente estables. • El problema puede ser fallas flexulares de algunos estratos débiles. • Otro problema es el hacer el avance con la presencia de distintos materiales. •Rumbo del túnel perpendicular a rumbo de las capas • Rumbo de las capas paralelo al rumbo de los portales. • Portal sur cinematicamente inestable. • Portal norte cinematicamente estable aunque pueden existir problemas de volcamientos de capas. • Frente de excavación del sur cinematicamente inestable • Frente de excavación del norte cinematicamente estable • Hastíales estables. •Problemas de avance en distintos materiales.

• Rumbo del túnel no coincide con rumbo de capas. • Hastial con frente de exposición al oeste es cinematicamente inestable. • Hastial con frente de exposición al este cinematicamente estable. • Portal del sur cinematicamente inestable. • Portal del norte cinematicamente estable. Pueden existir problemas de volcamiento. • Frente de excavación del sur puede tener problemas de deslizamientos de capas.

Tiene declive

Caso 1: Anticlinal (declive horizontal) Hastíales, frente de excavación, portales, son: cinematicamente estables. Caso 2: Portales y frentes de excavación pueden tener problemas de volcamiento. Pero son cinematicamente Caso 3: estables.

Tiene declive

La presión en el túnel Las mayores presiones en el túnel están en la entrada y disminuyen en el centro disminuye en las entradas e incrementa Antes de llegar al plano del eje del túnel, el hastial con en el centro. frente de disposición al oeste es cinematicamente inestable. Luego el hastial con frente de exposición al este es C.I

Caso 1: Ayuda aliviar las presiones en el revestimiento.

Caso 4: Ubicación del túnel no favorece la presión sobre el revestimiento. Hastíales C.I Frente de excavación del sur C.I Tiene declive

Caso 1: • La presión vertical sobre el revestimiento tiende a aliviar. • El agua tiende a escurrir hacia los lados. • En esa zona de ubicación los estratos superiores pueden estar agrietados. Caso 2: • La presión sobre el revestimiento tiende a aumentar. • El agua tiende a escurrir hacia los túneles. • Pueden existir grietas en la parte más curvada del sinclinal. Caso 3: El túnel se ubica en uno de los flancos del anticlinal.

Túneles en ladera:

•Estratificación Favorable. • Si la roca es resistente la ubicación del túnel es favorable y el túnel será estable.

• Estratificación es desfavorable para la ubicación del túnel. Buzamiento en el sentido de la ladera. • Construcción inestable.

• Estratificación favorable. • Buzamiento de capas contrario a la inclinación de la ladera. • Si la roca es poco meteorizada el túnel es estable. • Condición ideal para ubicar el túnel.

• Se observa una serie de fisuras en la roca. • Probablemente la roca está fuertemente meteorizada. • Condición muy desfavorable para ubicar el túnel.

Buzamiento horizontal

Buzamiento hacia el sur

Buzamiento vertical

• En los tres casos el revestimiento experimenta presiones verticales más o menos uniforme.

Buzamiento hacia el este afectando el frente de excavación. Caso 4: Concentración de esfuerzos en el hastial del este. Buzamiento hacia el oeste

Buzamiento vertical

Caso 5: Concentración de esfuerzos en el techo. Caso 6: Concentración de esfuerzos en parte del techo y hastial del oeste.

Caso 1: Caso más desfavorable para su ubicación Caso 2: Ubicación más favorable para el túnel Caso 3: Más favorable que el caso 1 Caso 4: Más favorable que el caso 1 Caso 5: Favorable como el caso 2 Caso 6: Más desfavorable que el caso 4

Comentarios: Sea la falla activa o inactiva, en la zona fallada el terreno suele estar fracturado y ser inestable. Se pueden encontrar fuertes caudales como el caso de un sinclinal. También algunas veces, el espacio entre los labios de la falla, está relleno de roca triturada del tamaño de granos de arena, que tiene la tendencia a fluir en el túnel. Si el túnel está emplazado por debajo del NF, el túnel puede ser invadido por una especie de suspensión de arena.

Condiciones hidrogeológicas Caso 1: Si la roca es sana las filtraciones serán pequeñas hacia el túnel. La simbología de la roca es de caliza.

Caso 2: Alternancia de estratos permeables (arenisca) e impermeables. Si existe circulación de aguas a través de arenisca altamente meteorizadas, puede ser una condición peligrosa, cuando el frente de excavación alcance esa situación.

Caso 3: Si existe filtraciones a través de la arenisca, el delgado espesor de lutita en techo puede sufrir filtraciones.

Caso 4: A través de la s betas en la roca, pueden circular flujos de agua.

Lutita

Arenisca Presión del agua en la arenisca, lavo la lutita y luego dreno la arenisca

Modificación del alineamiento o rasante del túnel para evitar zonas de rocas débiles

Roca débil o suelo

Roca débil o suelo

Caso 1: Apoyo de presa en caliza. Filtraciones a través de la renisca Caso 2: Apoyo de presa en roca débil y filtraciones a través de la arenisca Caso 3: Presa fundada en suelo o roca débil.

Eje de presa

Caso 1: • Estribos cinematicamente estables • Filtraciones a través de los estratos de arenisca • Capas con infinitos rumbos Caso 2: • Eje de la presa paralelo al rumbo de capas • Estribos cinematicamente estables • Filtraciones a través de la arenisca

• Condición favorable al deslizamiento • Condición más desfavorable para una presa en arco. • Filtraciones a través de la arenisca

Caso 4: • Puede existir volcamiento por empuje del agua • Eje de presa paralelo al rumbo de capas • La lutita puede evitar las filtraciones (es una barrera) • Estribos estables Caso 5: • Mayor seguridad que el caso 4 • Eje de presa perpendicular al rumbo de capas • No existe ninguna capa impermeable que evite filtraciones

• Filtraciones en el estribo izquierdo • Estribo izquierdo cinematicamente inestable. • Estribo derecho C.E

Perry: Las cargas que ejerce el terreno sobre el sostenimiento del túnel, son el resultado: De la interacción:

Estado de solicitación

Propiedades geomecánicas del sitio

El método de construcción Masa de roca no favorable

Mayores esfuerzos

Tipo de sostenimiento Construcción más cuidadosa

Sostenimient o más costoso

Posibles funciones que cumplen los sostenimientos: 1.- Evitar caídas de bloques de roca del techo o pared

Roca autoestable 2.- Sostener el peso de roca con deformaciones excesivas alrededor del túnel. Roca inestable 4.- El estrato de caliza se trasforma en sostenimiento de los anclajes

3.- Evitar desplazamientos excesivos del perímetro

Teorías empíricas que determinar la cargas sobre el sostenimiento de los túneles: Fuerzas cohesivas que disminuyen la carga sobre el techo.

Teoría de Ritter (1979): • Presión actuante sobre el techo de un túnel independiente de la profundidad. • La carga total viene dado por el volumen comprendido en la parábola. • La carga total la disminuye la resistencia a la tracción (cohesión) c que actúa perpendicular a la superficie de la parábola.

  2 B  P = γ ⋅B⋅ C  48 ⋅   γ 

    − C  γ    

P: Carga total B: Ancho del túnel C: Cohesión Hp: Altura de la parábola

B2 Hp = C 16 ⋅

γ : Peso unitario del terreno.

γ

Teoría de Engesser (1882): Cúpula formada por un arco de círculo que delimita el suelo actuante en el sostenimiento.  tan φ   2  φ   +  tan  45 − 2   ⋅ (cot an(φ    6  

σ v = γ ⋅ x + γ ⋅ b ⋅ 

b = 2 ⋅ (H t + x ) ⋅ tan 45 − φ  + B 2  Hp = x + h h = 0.25 ⋅ b ⋅ tan φ σv : Esfuerzo vertical sobre el sostenimiento x: Parámetro empírico Ht: Altura del túnel φ: Angulo de fricción Hp: Altura de carga

 2)) 

Teoría de Willmann (1911):

Masa rocosa sujeto a deformaciones elásticas debido a las cargas de compresión que el han transmitido los estratos superiores durante el proceso de formación La energía acumulada en ese material se liberará debido a la abertura.

En la zona alrededor las tensiones internas se reducen, como también la cohesión, quedando el material incoherente sujeto a la gravedad Esa zona afectada, se considera aislado y es lo que produce el empuje de la montaña sobre el sostenimiento.

Semi elipse

B

Teoría de Kommerell (1912) • Carga no directamente proporcional al revestimiento. La altura de la roca perturbada, se estima: Elipse

Hp = 100 ⋅

e k

Hp: Altura por encima del soporte de la roca perturbada. e: Deflexión del sostenimiento. K: Coeficiente de ablandamiento. Varía entre 1 % y 15%, pasando de suelos granulares a rocas competentes. Para el caso de un elipse, la carga total se determina:

e P = π ⋅ γ ⋅ B ⋅ 100 ⋅ k

Teoría de Bierbaumer (1913) • El sostenimiento es cargado por un volumen de terreno delimitado por una parábola. Cobertura del túnel

Hp = y ⋅ H  φ   2 ⋅ tan ⋅ tan 45 − H φ   2    y =1−     φ    B + 2 ⋅ Ht ⋅ tan 45 − 2      Hp es función de la cobertura del túnel.

y: Parámetro relacionado con la cobertura.

Teoría de terzaghi (1925 - 1946): Efecto de arqueo

La cedencia de una ranura puede asimilarse a la cedencia del techo de un túnel, por el efecto de las cargas actuantes sobre él.

simula las condiciones de soporte no rígido en las paredes verticales del túnel. Para ello consideró cuñas de deslizamientos que se mueven hacia abajo y hacia el vacío.

Si el techo se deja sin soporte (lo que equivale a dejar la ranura abierta) se llegará a regenerar la presión sobre él, por lo menos parcialmente; se formarán cuñas de material desprendido que se cae y que van siendo mayores según el tiempo que pasa.

Ensayos de arqueamiento, determinó que el descenso del soporte horizontal, no afecta el estado de esfuerzos en la arena más allá de una altura de 5B por encima del soporte

Techo del túnel

Medio arenoso que desciende hacia el techo • Considera la teoría del efecto de arco •Trata la distribución de esfuerzos en un soporte horizontal en un medio arenoso de desciende hacia el techo del túnel.

Teorías en que se supone que las secciones verticales bd y ca, que pasan por los extremos de la faja de cedencia son superficies de deslizamiento y que la presión sobre la frontera cedente es igual a la diferencia entre el peso total de la masa de arena colocada sobre esa frontera y la resistencia friccionante desarrollada a lo largo de las superficies de fluencia.

Presión sobre la frontera cedente = Peso total de la masa de arena colocada sobre esa Superficies de deslizamientos Frontera cedente

frontera

menos

resistencia friccionante desarrollada a lo largo de las superficies de fluencia.

2 ⋅ B ⋅ γ ⋅ dz = 2 ⋅ B ⋅ (σv + dσv ) − 2 ⋅ B ⋅ σv + 2 ⋅ c ⋅ dz + 2 ⋅ K ⋅ σv ⋅ tan φ ⋅ dz

dσ v K c + σv ⋅ ⋅ tan φ = γ − dz B B

σv = e ∫

− P⋅dz

− ∫ P⋅dz   ⋅ Q ⋅ e ⋅ dz + C   

P=

K ⋅ tan φ B

Q =γ −

c B

σv = e

( B )⋅tan φ ⋅  γ

 z ⋅(K )⋅tan φ c B ⋅ dz + C   −  ⋅ e B  

− z⋅ K

∫

c  B ⋅ γ −  − z ⋅(K )⋅tan φ B B +C ⋅e σv =  K ⋅ tan φ si z=0 σv = q, por tanto:

c  B γ −  − K ⋅tan φ ⋅(z )  − K ⋅tan φ ⋅( z ) B   B B ⋅ 1 − e + q⋅e σv =  K ⋅ tan φ   Si el suelo es puramente friccionante, resulta:

σv =

B(γ ) K ⋅ tan φ

− K ⋅tan φ ⋅( z )  − K ⋅tan φ ⋅( z )  B + q⋅e B ⋅ 1 − e   

si q=0

B(γ ) σv = K ⋅ tan φ

− K ⋅ tan φ ⋅( z )   B ⋅ 1 − e  

Cuando z tiende a infinito:

B(γ ) σv = K ⋅ tan φ

Ec 11

B(γ ) σv = K ⋅ tan φ

(11)

presión vertical dentro de la arena ya no sigue la conocida ley lineal

La ec. 11, corresponde a un valor constante., Comportamiento asintótico al valor constante anterior.

Si en la ec. 11, para fines prácticos se toma φ = 30º K=1 σv=2B.γ. Significa que la presión que se ejerce sobre la zona cedente es únicamente la correspondiente a una columna de arena de altura 2B ó de altura igual a su ancho. Pero por otra parte, los datos de la observación experimental en arenas han mostrado: K aumenta des de 1, muy cerca del centro de la frontera que cede hasta 1.5 en una elevación de (2B) sobre ese punto.

S,r Por encima de esta frontera la arena no se afecta

Altura donde se moviliza la resistencia al esfuerzo cortante en bc y da

A elevaciones mayores que 5B aproximadamente, la cedencia de la frontera ceda ya no influye en el estado de esfuerzos de la arena.

la profundidad a lo largo de la cual no existen esfuerzos cortantes en las superficies verticales de deslizamiento q = γ.z1

B(γ ) σv = K ⋅ tan φ

Masa de arena por encima de z2 actuará como una sobre carga

z z  − K ⋅tan φ ⋅ 2   − K ⋅tan φ ⋅ 2   B  +γ ⋅ z ⋅e  B ⋅ 1 − e 1  

12

Observaciones respecto a las ecuaciones: •

Si el estrato de arena es de gran espesor

σv =

B(γ ) K ⋅ tan φ

(11)

esfuerzo sobre la frontera cedente

• Si φ = 40º y K =1, z1 = 4B, la presión en z1 varia linealmente en esa profundidad, pero por debajo de ella la presión variará según la ec. 12 y disminuye cuando la profundidad incrementa acercándose al valor de la ec. 11. z z − K ⋅tan φ ⋅ 2   − K ⋅tan φ ⋅ 2  B(γ )   B  +γ ⋅ z ⋅e  B σv = ⋅ 1 − e 1 K ⋅ tan φ    

Presión por debajo de Z1

• La teoría indica que a una profundidad de más de 8B, la influencia del peso de la arena en el espesor z1 ya es despreciable, pues a tal profundidad el valor de σv ya se acerca al valor constante de σv. • A una elevación de más de 4B ó 6B sobre el centro de la zona cedente, la presión sobre tal zona ya no se ve influenciada por el estado de esfuerzos prevalecientes en las capas superiores de la arena.

Explicó de tal manera como la anchura

efectiva del terreno que

desciende con el soporte, resulta igual La carga vertical sobre terzaghi indica que depende de:

(B+Ht).

el soporte del techo del túnel,

De las deformaciones permitidas por el soporte al terreno contenido dentro de la zona arqueada. Terzaghi, cuantifica el valor de Hp para nueve clases de roca.

Método de Protodyakonov:

• Teoría fundamentada en el efecto de arco.

b

• La carga actuante sobre el túnel está contenida dentro de una parábola. • El terreno externo a la parábola se autosostiene gracias al desarrollo del efecto del arco.

2 ⋅ b ⋅ Hp Area _ parabola = 3 b Hp = 2⋅ f

Presión vertical sobre el techo.

b = B + 2 ⋅ Ht ⋅ tan 45 − φ  2  γ ⋅b σv = 3⋅ f

Grado de resistencia

Tipo de roca o suelo

γ ton/m2

σc kg/cm2

F

Muy Alto

Granitos masivos, cuarcitas o basaltos sanos y, en general, rocas duras, sanas y muy resistentes. Granitos sólidos, pórfidos cuarzosos, pizarras silicosas, areniscas y calizas altamente resistentes. Granito y formaciones similares, Caliza y arenisca muy resistente, conglomerados muy resistentes.

2.80 a 3

2000

20

2.60 a 2.70

1500

15

2.50 a 2.60

1000

10

Caliza, granito meteorizado, arenisca sólida, mármoles, piritas.

2.50

800

8

Moderadament e alto

Arenisca normales.

2.40

600

6

Moderadament e alto

Pizarras.

2.30

500

5

Muy alto

Alto

Alto

Grado de resistencia

Tipo de roca o suelo

γ ton/m2

σc kg/cm2

F

Medio

Lutitas. Arenisca y calizas de baja resistencia. Conglomerados no muy duros. Esquisto y pizarras. Mármol denso.

2.40 a 2.80

400

4

2.40 a 2.80

300

3

Esquisto fracturado, Caliza fracturada. Areniscas en bloques, grava cementada. Suelo duro. Gravas. Lutitas y pizarras fragmentadas. Depósitos de gravas densas. Arcillas duras. Arcilla firme. Suelos arcillosos.

2.20 a 2.60

200 150

2 1.5

2

-

1.5

1.7 a 2

-

1

Loes. Formaciones de arena y grava. Suelos arenosos arcillosos o limo arcillosos. Suelos con vegetación.

1.7 a 2

-

0.8

1.6 a 1.9

-

0.6

1.4 a 1.6

-

0.5

-

-

0.3

Medio Moderadament e bajo

Moderadament e bajo

Bajo Bajo

Suelos

Turbas. Arenas húmedas. Suelos granulares Suelos plásticos

Arenas y gravas. Limos y arcillas blandos.