Download 2.6 Propiedades de la roca intacta

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Consideraciones necesarias para el análisis y diseño de un túnel en una zona
de alta sismicidad y geología complicada; caso práctico en el Estado de
Oaxaca.
Necessary considerations for the analysis and design of a tunnel in an area of high seismicity and
geology complicated, case study in the State of Oaxaca
Yolanda BARRERA AGUIRRE y Edgar MONTIEL GUITIÉRREZ
CFE – GEIC
CFE - GEIC
RESUMEN: En esta sección se debe escribir una síntesis del trabajo que se presenta, misma que debe proporcionar un
amplio panorama de la investigación (objetivo, descripción de la metodología, método o marco teórico utilizado,
descripción del problema o caso de estudio, los resultados y las conclusiones más importantes del trabajo), sin que
sobrepase de 200 palabras. El cuerpo del artículo por su parte, debe presentar aportaciones importantes al
conocimiento científico y tecnológico de la mecánica de suelos y la ingeniería geotécnica práctica. Su estructura básica
debe seguir preferentemente el esquema clásico: resumen (abstract), introducción, metodología, resultados, discusión,
conclusiones y referencias. La redacción debe ser coherente y de fácil entendimiento para los lectores. Para asegurar
un estilo uniforme en la publicación de las memorias de la XXVI RNMSeIG, todos los artículos deben prepararse
estrictamente de acuerdo con el conjunto de instrucciones abajo indicadas. La impresión del documento se realiza rá
únicamente en blanco y negro. Por comodidad para los autores, se proporciona este archivo como documento doc para
MS Word 6.0 (y superior).
ABSTRACT: This section must exhibit a summary of the work presented, it should provide a broad overview of the
research (objectives, description of methodology, method, or theoretical framework applied, description of the problem or
case study, results and the most important findings of the work).
.
1 INTRUDUCCIÓN
Este túnel es parte de una presa de
almacenamiento que servirá de fuente de
abastecimiento de agua potable a la ciudad de
Oaxaca de Juárez y municipios conurbados. El túnel
es la Obra de Desvío de esta presa.
desvío (margen derecha) de 530m de longitud de
11m de ancho en sección herradura, obra de toma
(margen izquierda) tipo torre, tubería a presión,
subestación elevadora y casa de máquinas externa
(estas tres últimas en margen izquierda).
1.1 Descripción del proyecto
En la figura 1 se muestra la ubicación del proyecto
con el arreglo de obras con el que se realizo el
análisis y que consta de las siguientes estructuras:
Obra de contención de enrocamiento con cara de
concreto, obra de excedencias (margen derecha)
con vertedor cimacio con canal lateral y cubeta
deflectora, obra de desvío constituida por una
ataguía aguas arriba, ataguía aguas abajo y túnel de
Figura 1. Esquema de obras
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Consideraciones necesarias para el análisis y diseño de un túnel en una zona de alta sismicidad y geología
complicada; caso práctico en el Estado de Oaxaca.
2 CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA –
GEOTÉCNICA
Los estudios de ingeniería geológica representan
el punto de partida del proceso de diseño de las
obras, ya que el terreno natural constituye el material de excavación, soporte y almacenamiento del
agua. El conocimiento geológico – geotécnico del
terreno es necesario para prevenir, mitigar o controlar los riesgos en las obras civiles.
En el proyecto se realizaron diversos estudios de
topografía, geofísica, geohidrología, geología, mecánica de suelos, mecánica de rocas, etc., a fin de
conocer los materiales presentes y detectar los
factores condicionantes del proyecto para que
sean tomados en cuenta en las etapas de diseño.
En los incisos siguientes se desarrolla una descripción de las condiciones geológicas y geotécnicas presentes en la zona de las obras.
2.1 Litología
Las unidades litológicas que afloran en el área de
estudio son conglomerados polimícticos (Tpmcgp),
rocas andesíticas subvolcánicas (TemA) y los
productos generados por la erosión e intemperismo,
tales como depósitos de talud (Qdt) y aluviales (Qal).
De estas unidades, las que predominan son el
conglomerado polimíctico y la andesita porfídica.
El conglomerado polimíctico (TpmCgp) está
compuesto por fragmentos de roca de tamaños
desde la arena fina hasta boleos de 40 cm de
diámetro, dispuestos en estratificación masiva a
gruesa; los componen clastos de andesita, granito,
gneis, metagranito, metacalizas oxidadas y calizas
fosilíferas. Aflora en ambas márgenes de la boquilla,
en el cauce está cubierto por aluvión y en las laderas
parcialmente cubierto por una capa de depósitos de
talud con un espesor promedio 1,5 m. En la margen
izquierda, el espesor del conglomerado varía de 30 a
más de 180 m desde el cauce hacia la parte alta de
la ladera. En margen derecha es más abundante,
con espesores mayores de 250 m.
Las andesitas (TemA) se localizan principalmente
al norte del eje de la cortina, se trata de un cuerpo
que se inyectó como un cuerpo hipabisal, empujándo
al conglomerado y a sí misma con un movimiento
ascendente. Están parcialmente cubiertas por
depósitos de talud y aluvión en la ladera y en las
cercanías al cauce. Ocasionalmente se tiene
presencia de suelo.
El contacto conglomerado – andesita, en partes se
tiene una franja de asimilación magmática y en otras
se presenta un color rojizo debido a requemamiento;
algunos monolitos del conglomerado se encuentran
aislados y flotando en estas rocas magmáticas. En el
eje de la cortina ECC, margen izquierda y en la zona
del portal de entrada del desvío en margen derecha,
las andesitas se presentan muy fracturadas y
alteradas.
2.2 Exploración Indirecta
Como parte de los estudios de caracterización
geológica, se realizaron trabajos de exploración
geofísica, mediante sondeos eléctricos verticales
(SEV) y tendidos de refracción sísmica (TRS) en
secciones de interés para el proyecto. Estos estudios que se realizaron sobre las aéreas de influencia de las diferentes obras civiles y junto con las
secciones geológicas, son de gran utilidad para
complementar la distribución subterránea de la litología, determinar el espesor de la capa superficial
que forman diversos materiales no consolidados y
las rocas intemperizadas, localizar estructuras geológicas y estimar la calidad del macizo rocoso de
forma cualitativa.
El piso del túnel de desvío nuevo trazo, estará
desplantado en su mayor longitud en roca de buena calidad (velocidad de onda primaria de 3,6 a 4,9
km/s) salvo en un pequeño tramo de portal de entrada, donde la velocidad es de 1,1 a 1,6 km/s.
2.3 Exploración Directa
Para conocer con mayor detalle la geología y las
propiedades de la roca a la profundidad donde se
excavará la obra de desvío, dentro del estudio general para las diferentes obras del Proyecto.
Para el estudio de la margen derecha se perforaron 18 barrenos. De ellos, 12 se orientaron a la exploración geológica de detalle del túnel; además
proporcionan información para definir la posición
de las fallas y fracturas a profundidad. En un barreno se realizaron pruebas de deformabilidad y en
otro se utilizó como parte de estudio del riesgo
sísmico del sitio. En la margen derecha los barrenos confirmaron junto con la exploración geofísica
que se tiene una capa superficial de conglomerado
descomprimido y fracturado con un espesor no
mayor de 10 m. Éste mejora notablemente con el
aumento de la profundidad, mientras que la unidad
de andesita presenta condiciones de menor calidad.
A groso modo las diferencias en calidad entre
conglomerado y andesita pueden observarse en la
tabla 1 mediante los porcentajes de recuperación y
RDQ.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Barrera Y. y Montiel E.
3
Tabla
1. Barrenos en zona de obras, margen derecha
_____________________________________________________
Tabla
3. Sistema de fracturamiento en la obra de desvío
_____________________________________________________
Barreno
Litología Profundidad(m) Recuperación(%) RQD(%)
_____________________________________________________
PA-2 TpmCgp
60,40
86
79
PA-4 TpmCgp/ TemA 94,00
92
78
BI-4 TemA
71,10
73
38
BI-6 TpmCgp
30,10
84
66
BI-8 TpmCgp
60,30
92
89
BI-10 TpmCgp
49,05
93
80
BI-12 TpmCgp
42,25
94
86
BI-16 TpmCgp
70,10
88
78
BI-18 TpmCgp/ TemA 45,20
86
56
BI-22 TemA
75,05
68
18
BI-26 TpmCgp/ TemA 65,00
96
60
MDE-1TpmCgp
100,00
96
86
_____________________________________________________
Sistema
s1
s2
s3
_____________________________________________________
El barreno BI-22, localizado en la salida de portal
del túnel de desvío presenta planos de fallá casi en
su totalidad, con inclinaciones promedio de 60° a
70º, algunos con estrías así como tramos arcillosos producto de la alteración de la roca, que indica
zonas de fallamiento intenso.
2.4 Geología Estructural
En esta sección se aborda el estudio de la
distribución espacial y orientación de las
discontinuidades presentes en el sitio de estudio.
En los estudios geológicos se determinó que en la
zona existen cuatro sistemas preferenciales. En
cuanto a su abundancia, el sistema principal (s1y
S1) tiene una dirección NE – SW, el sistema 2 se
orienta NW – SE, el tercer sistema es sensiblemente E – W y el cuarto N – S.
Con una orientación preferencial de NW56ºSE y
echado de 36º al SW, se presenta una estratificación en la unidad de conglomerados, con estratos
de 60 cm de espesor promedio.
La estratificación no presenta planos disyuntivos
en el macizo rocoso, por lo que se considera que
no influirá en la estabilidad del túnel.
En el tabla 2 se presenta la dirección y buzamiento
de los sistemas de discontinuidades obtenidos en
marguen derecha.
Tabla
2. Geología estructural margen Derecha
_____________________________________________________
Estructura Sistema S1 Sistema S2 Sistema S3 Sistema S4
geológica
_____________________________________________________
Fallas
NE52°/81°SE
Fracturas
NE52°-54°/78°
-81°SE
Estratificación
NW43°-51°/77 NW 83°/78°SE
80°NE y SW
NW54°-78°/77-80°
NE y SW
NW56°/36°SW
NE14°/72°SE
NE04°/85°SE
_____________________________________________________
Los sistemas de fracturamiento que afectan el sector del túnel de desvío, se presentan en la tabla 3
Túnel y portal
entrada
Portal de
salida
NE38°-66°/81°-87° NW63°/81°SW
NW y SE
NW 77°-88°/60°-78°
NE y SW
NE55°-61°/77°-89°
NW y SE
_____________________________________________________
2.5 Modelo geotécnico
El modelo geotécnico resulta de gran utilidad, entre
otras cosas para identificar los posibles riesgos
que enfrentará la obra tanto en excavaciones a cielo abierto com
o en las subterráneas. En el
modelo geotécnico se obtuvieron las unidades siguientes:
Ug-1a Conglomerado de buena calidad
Ug-1b Conglomerado de buena a mala calidad
Ug-1c Conglomerado de zona descomprimida y de muy mala calidad
Ug-2a Andesita de regular calidad
Ug-2b Andesita de la zona de asimilación
Ug-2c Andesita alterada (del cauce y margen
izquierda)
Ug-2d Andesita de mala a muy mala calidad
Ug-3 Falla el Estanque
La sección geotécnica del túnel de desvío se
muestra en la figura 3. En el portal de entrada se
tienen las unidades geotécnicas Ug-2a y Ug-2d. La
primera unidad (Ug-2a), que corresponde a una
andesita de buena calidad, aflorará en la parte inferior. La segunda unidad (Ug-2d) es una andesita
fracturada e intemperizada que en la parte superior
y se tiene en la mayor parte del talud. Se prevén la
presencia de fallas que están a rumbo de los taludes, un fuerte fracturamiento y alguna posibilidad
de volteo de pequeños bloques.
En un tramo del túnel es una zona de poca cobertura y de mala calidad. Los principales riesgos
pueden ser cuñas inestables, fracturamiento y alteración en las cercanías a las fallas.
En el portal de salida se tienen dos unidades geotécnicas; Ug-1a y Ug-1c; la primera unidad corresponde a un conglomerado de buena calidad, se
encuentra fracturado con fallas a rumbo del talud,
este material se encuentra en la mayor parte del
talud, la segunda es un conglomerado de mala calidad, se encuentra fracturado e intemperizada, se
prevé que se encuentre en la parte superior, con
un espesor de 10 metros.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Consideraciones necesarias para el análisis y diseño de un túnel en una zona de alta sismicidad y geología
complicada; caso práctico en el Estado de Oaxaca.
4
:
P ARÁM ET ROS GE OM ECÁNICOS DEL M ACIZ O ROCOSO


³
Ug-1a
25, 93
7, 60
Ug-1b
25, 93
17830
0, 17
10528
0, 19
37
25, 81
2, 40
32
4104
0, 22
Ug-2a
25, 73
2, 80
37
10044
0, 19
Ug-2b
26, 04
8, 20
35
6138
0, 21
Ug-2d
25, 55
2, 20
2610
0. 23
88
61
66
55
48
53
33
38
71
49
54
55
45
50
31
36
48
m snm
E LE VACI ÓN
4, 90
Ug-1c
U g-1c
Figura 2. Modelo geológico – geotécnico por el eje de la
Obra de desvío
2.6 Propiedades de la roca intacta
En la tabla 4 se muestran las propiedades índice de
la roca intacta para las siete unidades definidas en el
modelo geotécnico, por otra parte la tabla 5 contiene
las propiedades mecánicas.
Tabla
4. Propiedades índice de roca intacta
_____________________________________________________
Peso Volumétrico

i
a
Ia
ambiente saturado
(kN/m3) (kN/m3)
(%)
(%)
(%)
(%)
_____________________________________________________
Unidad
Ug-1a
25,83
25,93
0,82
0,33 0,75
1,43
Ug-1b
25,81
25,93
0,78
0,36 0,78
0,72
Ug-1c
25,68
25,81
1,07
---Ug-2a
25,61
25,73
1,55
0,40 1,05
2,34
Ug-2b
25,98
26,04
0,75
---Ug-2c
25,32
25,50
1,63
0,44 1,60
1,29
Ug-2d
25,31
25,55
1,98
0,64 1,46
4,22
Ug-3
24,70
24,83
2,81
0,74 2,22
1,03
_____________________________________________________
Donde:
: contenido de agua
i: índice de alteración
a: índice de absorción
Ia: intemperismo acelerado
Tabla
5. Propiedades mecánicas de roca intacta
_____________________________________________________
Rt ci Et50 D&Mc mi VP VS Ed d
(MPa) (MPa) (GPa)
(MPa) (°)
(km/s) (km/s) (GPa)
_____________________________________________________
Ug-1a
8,6 102
46,4 CM 17,9 51 23 5,2 2,4 42 0,36
Ug-1b
8,5
88
50,1 CH 15,5 51 22 5,2 2,5 44 0,36
Ug-1c
4,4
57
41,1 CH 10,2 50 21 3,9 1,9 26 0,34
Ug-2a
8,9
48
37,3 DH
8,4 51 23 4,8 2,1 31 0,38
Ug-2b
----8,0 50 20 ----Ug-2c
5,6
38
29,3 DH 6,7 51 21 4,7 1,8
25 0,41
Ug-2d
5,1
55
30,1 CH 9,9 50 20 4,4 2,0
29 0,37
Ug-3
------ -- --- --- -_____________________________________________________
Unidad
Donde:
U G:
unidad geotécnica
Rt: resistencia en tensión indirecta
ci:
resistencia en compresión simple
Et50:
módulo de deformabilidad al 50% de la resistencia en compresión
D&M:
clasificación de Deere y Miller para roca
intacta
c:
cohesión
ángulo de fricción interna
mi:
constante adimensional que depende de
la matriz rocosa
VP:
velocidad de onda primaria (compresional)
VS:
velocidad de onda secundaria (cortante)
Ed:
módulo de deformabilidad dinámico
d: relación de Poisson dinámica
El modelo de resistencia empleado para definir los
parámetros de resistencia, corresponde con el criterio de Hoek Brown, y a partir de él se estiman los correspondientes parámetros de resistencia del modelo
de Mohr – Coulomb.
2.7 Propiedades geotécnicas del macizo rocoso
Como es sabido, un macizo rocoso es el conjunto de
bloques de matriz rocosa (o roca intacta) y de las
discontinuidades que lo afectan. Por lo tanto, al ser
éste un medio discontinuo y heterogéneo; sus propiedades son diferentes de las de la roca intacta.
La caracterización geotécnica del macizo se realizó
mediante la clasificación geomecánica propuesta por
Bienawski, Rock Mass Raiting (RMR), basado en
descripciones ingenieriles que toman en cuenta la
resistencia de la matriz de la roca, RQD, separación
y estado de las discontinuidades (longitud, abertura,
rugosidad, relleno y grado de alteración), además de
la presencia de agua.
En la tabla 6 se presentan las propiedades más importantes del macizo rocoso en el que se excavarán
las obras superficiales y subterráneas.
Tabla
6. Propiedades mecánicas del macizo rocoso
_____________________________________________________
Unidad RQD RMR E Mohr - Coulomb
Hoek – Brown
c
GSI
mb
s
(%)
(GPa)
(MPa)
(°)
_____________________________________________________
Ug-1a
88 58
17,8 0,17 7,6
41
61
5,68 0,0131
Ug-1b
55 53
10,5 0,19 5,4
37
48 3,40 0,0031
Ug-1c
15 38
4,1 0,22 2,8
32
33 1,92 0,0006
Ug-2a
71 54
10,0 0,19 3,0
37
49 3,66 0,0035
Ug-2b
55 50
6,1 0,21 2,6
35
45 2,81 0,0022
Ug-2c
25 40
3,3 0,22 1,9
32
35 2,09 0,0007
Ug-2d
19 36
2,6 0,23 2,5
31
31 1,69 0,0005
Ug-3
3
14
1,5 0,35 0,05
20
9
--_____________________________________________________
Donde:
RQD:
índice de calidad de la roca
RMR:
índice de calidad del macizo rocoso
E: módulo de deformabilidad del macizo rocoso
: relación de poisson del macizo rocoso
GSI:
índice de resistencia geológico
mb:
constante del macizo rocoso, HoekBrown
s:
constante del macizo rocoso, Hoek-Brown
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Barrera Y. y Montiel E.
2.8 Propiedades geotécnicas de las
discontinuidades
Por otra parte, es de gran importancia conocer los
parámetros de resistencia al corte en los planos de
discontinuidad. Para esto se tomaron en cuenta tanto
las pruebas de corte directo realizadas en muestras
cúbicas extraídas de la boquilla del proyecto, como
el criterio de Barton y Choubey.
Las propiedades serán de acuerdo a lo presentado
anteriormente (tabla 7).
Tabla
7. Parámetros de resistencia en fallas
_____________________________________________________
Material
r(°) residual
_____________________________________________________
TpmCgp
18
TemA
30
_____________________________________________________
Las pruebas de corte directo realizadas en muestras
cúbicas en laboratorio mostraron valores de ángulo
de fricción pico de 31° y 30° para el valor residual, y
evidenciaron que existe un pequeño valor de la
cohesión (0,1MPa). De acuerdo a la tabla anterior se
considera que la estimación de los parámetros de
resistencia en discontinuidades sin relleno es confiable.
3 CONSIDERACIONES PARA LOS ANÁLISIS
GEOTÉCNICOS
La información presentada en los incisos anteriores es la base para el análisis de estabilidad de las
diferentes excavaciones requeridas para alojar las
obras, considerando distintos mecanismos de falla.
Los análisis consisten en determinar los factores
de seguridad para las diferentes condiciones a las
que pudieran estar sometidas las excavaciones, al
final de la construcción y durante la operación. Los
estados límite de falla y de servicio se revisan en
cada una de las excavaciones, considerando mecanismos de falla plana, falla en cuña y estado límite de servicio (estado de deformaciones).
Cuando el medio es continuo, los modelos de análisis se elaboran con la distribución de materiales
de acuerdo al modelo geotécnico empleando el
modelo de resistencia de Hoek – Brown (referencia
5) por ser el que mejor describe el comportamiento
del macizo rocoso.
Los análisis de falla plana se realizarán mediante
algún programa, generando la revisión mediante
equilibrio límite del potencial de deslizamiento que
tiene algún prisma con respecto a la excavación.
5
Uno de los mecanismos de falla más importantes
es la falla en cuña. El método de análisis empleado
es el de equilibrio límite considerando como fuerzas estabilizadoras las que resultan de los parámetros de resistencia (modelo Mohr – Coulomb) en
las discontinuidades.
La determinación de las cuñas potencialmente
inestables se realiza mediante un análisis estereográfico combinando los diferentes sistemas de discontinuidades presentados anteriormente y determinar de esta manera una cuña máxima, la cual se
considera como cuña de diseño. En seguida se seleccionan las cuñas con movimiento cinemáticamente admisible para calcular sus factores de seguridad (FS) en condiciones de excavación
estática (E), vaciado con empuje de agua llenando
el 25% de las discontinuidades (A) y acción sísmica (S). Eventualmente, cuando las condiciones locales evidencian la formación de una cuña importante, se toman en cuenta las fallas y fracturas que
se ubican en una zona o excavación en particular.
Los análisis de cuñas en las obras subterráneas se
realizan bajo el mismo principio de equilibrio límite.
La revisión del estado de deformaciones es importante para verificar que no se ocasionarán deformaciones excesivas en las excavaciones subterráneas y que tampoco rebasen el límite permisible
en las estructuras de concreto. La revisión del estado límite de servicio se realiza sobre secciones
críticas de las distintas obras civiles. Para este fin
se utiliza el método de elemento finito bidimensional. En todos los análisis la acción sísmica se evalúa de manera pseudoestática mediante la adición
de fuerzas inerciales en el modelo y con el empleo
de un coeficiente sísmico de 0,29 que corresponde
a la aceleración para el sismo base de diseño con
un periodo de retorno de 200 años.
Se establecieron los factores de seguridad de diseño adoptados para cada mecanismo de falla son
los siguientes (tabla 8):
Tabla 8. Factores de seguridad de diseño de las obras
superficiales
y subterráneas.
_____________________________________________________
Condición de análisis (fuerzas actuantes)
Factor de seguridad
mínimo admisible
_____________________________________________________
Peso propio (Estático)
1,5
Peso propio + Vaciado rápido
1,1
Peso propio + Sismo
1,1
Peso
propio
+
Sismo
+
Vaciado
rápido
1,05
_____________________________________________________
4 CONCLUSIONES
Es importante tener información fidedigna del lugar
donde se encuentra el proyecto.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Consideraciones necesarias para el análisis y diseño de un túnel en una zona de alta sismicidad y geología
complicada; caso práctico en el Estado de Oaxaca.
La investigación de los parámetros del macizo
rocoso tienen como objetivo reconocer geológica y
geotécnicamante los parámetros necesarios para
analizar su estabilidad, tanto el diseño de taludes
como la excavación del túnel, calcular las medidas
de estabilización y proyectar las obras.
La estructura geológica es un factor importante en la
estabilidad de una excavación subterránea.
Algunos factores importantes son:
 Estratigrafía y litología
 Buzamiento de las estructuras con respecto a
la sección del túnel.
 Dirección de la estratificación con respecto al
túnel.
 Tipos de pliegue
 Cartografía geológica y análisis estructural
 Geología Estructural (Identificación de fallas y
fracturas).
 Tamaño, relleno, resistencia, etc. de las
mismas estructuras.
 Transmisibilidad hidráulica.
 Estudios sismológicos regionales.
 Caracterización de fallas, por edad, tipo y
geometría.
Las propiedades del macizo rocoso nos alluda a
conocer la posible respuesta del macizo rocoso ante
las acciones naturales e inducidas determina las
condiciones de estabilidad del túnel y, como
consecuencia, las medidas de sostenimiento a
aplicar. Por otro lado, el proceso constructivo
también depende de la forma de excavación de las
rocas, que así mismo es función de la resistencia,
dureza y abrasividad, entre otros factores.
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