Download B - Geoasbuilt

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.