ChapI_Mecánica de Ruptura de Taludes
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27/08/2014
1
2014
MSc. Jorge Dueas
Facultad de Geologa Geofsica y MinasUNSA
www.unsa.edu.peEmail: [email protected]
0603230Mecnica de Rocas 2
Pgina 2
Temario
-
27/08/2014
2
Mecnica de Ruptura de Taludes
Jorge Dueas
Facultad de Geologa, Geofsica y Minas
IntroduccinTaludes altos 700m de alturaTaludes en proyecto >1100m
Anlisis de Mecanismos de Ruptura
Aportar conocimientos a la Mecnica de Taludes
Anlisis Elsticas Anlisis Elasto-Plsticas
Anlisis Evolutivas Estudiar la evolucin progresiva de las tensiones inducidas
Modificacin de los Parametros de Resistencia
Estudiar la Influencia de las Tensiones Inducidas en la Estabilidad
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Introduccin
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Introduccin
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Introduccin
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Estado de Tensiones
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Estado de Tensiones
Ruptura en Cua
Ruptura Planar
Discontinuidades persistentes
150 m
Discontinuidadespersistentes
Rupturas en Taludes Altos
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Rupturas en Taludes AltosHoek et al., 2000
Deformaciones localizadas
Mecanismos de coalescencia
Estructuras mayores
Mecanismo desconocido en el
pie del talud
~ 315 m
Probable Superficie de Rupturaen Taludes Altos
500 m Puente de
roca Intacta
Estructuras menores
Estructuras mayores
Regin altamente fracturada
Superfcie escalonada controlada por estructuras menores, fracturas y puentes de roca intacta
Mecanismos de cizallamento
Hoek et al. , 2000
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Movilizacin de las Componentes de la Resistencia durante la Ruptura
Deformacin axial
Tens
in
axial
I
e
circ
pfecp
Friccin Bsica
Cohesin
Incio demicro-fracturamiento
II
IIIIV
I
s 1s 1
II
s 3s 1
s = s 3 t a 0
s >n 3s
s =n 0Mobilizacin y perdida de la resistencia
cohesiva s 1
III
sns = 3Mobilizacin de la resistencia friccional s 1
IVcicd f
Martin, 1993; Hajiabdolmajid, 2001
Perdida de la cohesin y Movilizacin & Degradacin de la friccin
0
Cohe
sin
norm
aliz
ada
(%)
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
40
20
60
80
100
0 0
20
100
40
60
80
Dao normalizado
Ang
ulo
de f
ricc
in
( )
b+if
max/
if bf
Coeso
n
ii
pv
1)(
Martin, 1993
-
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Holzhausen e Johnson, 1979
b
s 1
0,5
1,0
1,5
2,0
0 906030-30-60-90
Orientacin ()
Long
itud
de
la m
icro
-fis
ura
(mm
)
e
s
0-30-60-90 906030
1,5
1,0
0,5
2,0
2,5
3,0
Long
itud
de
la m
icro
-fis
sra
(mm
)
Orientacin ()
s
e
7
Holzhausen & Johnson, 1979
Crecimiento de micro-fisuras paralelas a la tension principal mayor
Modelo de Ablandamiento de la Cohesin y Endurecimiento de Friccin por Deformaciones
0
70
0,0 0,8pf
sen
p
mobsen
pf
p
pf
ppf
p
pf
p
mob
p
p
/ sen
/ sen2sen
Endurecimiento de la Friccin
0
60
0,0 0,3pc p
mobc
ic
2)2(exp. pc
p
imob cc
Ablandamiento de la cohesin
Vermeer & de Borst, 1984
-
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Modelo de Ablandamiento de la Cohesin y Endurecimiento de Friccin por Deformaciones
rpc
p
rimob cccc
2)2(exp).(
Ablandamiento de la Cohesin
oopf
p
pf
p
sen)sen(sen2*sen
rpfprpf
p
pf
p
sen)(exp)sen(sen2*sen
Movilizacin y Degradacin de la Friccin
0
10
20
30
40
50
60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Coh
esio
n [M
Pa]
Deformacin plstica efectiva [%]
Datos Experimentales
Funcin de perdidad de cohesion
Aproximacin para la perdida de la cohesion
%2,0
1450
pc
r
i
MPacMPac
0
10
20
30
40
50
60
70
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Evo
luci
n d
e la
Fric
cin
[]
Deformacin plstica efectiva [%]
Datos Experimentales
Funcin de Movilizacin y Degradacin de la FriccinAngulo de Friccin Bsico
b
*i
90
%32,038
61
pf
r
p
Zea, USP 2004
Hajiabdolmajid, 2001
Pgina 18
Caso Prctico
-
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Simulacin Numrica del Granito Lac du Bonnet FLAC2D
0
50
100
150
200
250
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Deformacin Axial [%]
Curva Experimental
Modelo Numrico
ci
cdf
[MPa] 1
O
A
B
0
0.1
0.2
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Deformacin Axial [%]
[%] VV
Zea, USP 2004
Simulacin Numrica del Granito Lac du Bonnet FLAC2D
a) Resistencia cohesiva b) ngulo de friccin
Zea, USP 2004
-
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Modelamiento Numrico de Taludes Altos
Hiptesis adoptadas Estado Plano de Deformaciones Modelo Elstico Lineal Modelo Elasto-Plstico de Ablandamiento de la
Cohesin y Endurecimiento de la Friccin por Deformaciones
Se pretende Analizar Evolucin Progresiva de tensiones inducidas Daificacin/Fracturamiento del macizo rocoso por
tensiones inducidas
Construccin del Modelo usando el FLAC2D
3 x L
L
3 x H-300 m
Geometria del Tajo
40
0 m
30Altura de TaludH = 300 m
Gravedad
hs =s = g. zv
k s vk = 1,1
Zea, USP 2004
-
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Parmetros de Entrada de Roca Diorita
Parmetros ValorPeso Especfico 2600 Kg/m3
mi 25ci 50 MPaEi 55 GPaRMR 49GSI 45
0,25
c * 0,407 MPa * 46
Em * 2,65 GPa
Tensiones Elsticas en la cara del Talud
Talude Global300 m
440
(240 m)
0-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2468
101214161820
[MPa
]
[MPa]
8Fases de Excavacin
1 2 3 4 5 6 7 9 10
14
12
10
8
6
4
2
0
16
[MPa
]
240
Profundidad de Excavacin [m]30 60 90 120 150 180 210 270 300
240
Profundidad de Excavacin [m]30 60 90 120 150 180 210 270 300
16
14
12
10
8
6
4
2
0
[MPa
]
8Fases de Excavacin
1 2 3 4 5 6 7 9 10
5
1
2
3
Zea, USP 2004
-
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Influencia de k en las Tensiones Inducidas
0
10
20
30
40
50
60
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9
Coeficiente de empuje, k
H = 60mH = 120mH = 180mH = 240mH = 300mH = 480mH = 600m
][1 MPa
0
2
4
6
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9
Coeficiente de empuje, k
H = 60mH = 120mH = 180mH = 240mH = 300mH = 480mH = 600m
][3 MPa
k >1
-24
-22
-20
-18
-16
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600Altura de Talud [m]
k = 1,1k = 1,3k = 1,5k = 1,7
][
-24
-22
-20
-18
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9Coeficiente de empuje, k
H = 60mH = 180mH = 480mH = 600m
][
Influencia de k en la orientacin de s1
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Fracturamiento Inducido Idealizado
40
Probable Superficie de
Ruptura
0 m(A)
4 -240 m(B)
-300 m(C)
Estado de tensiones en el Punto 4, en las profundidades A, B y C
(A) 6,18 MPa
7,09 MPa
(B) 9,40 MPa
1,82 MPa
(C) 6,14 MPa 0
p do talude
22
(A)
2
4
6
8
10
-2 0 2 4 6 83 [MPa]
1[M
Pa]
(C)
(B)
Zea, USP 2004
Parmetros de Entrada de Roca Diorita
Parmetros ValorPeso Especfico 2600 Kg/m3
mi 25ci 50 MPaEi 55 GPaRMR 49GSI 45
v 0,25
c * 0,407 MPa * 46
Em * 2,65 GPa
c ** 0,407 MPa ** 46
Em ** 2,65 GPa
(*) Parmetros estimados
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Coh
esi
n [M
Pa]
Deformacin Plstica Efectiva [%]
%2,0010,0407,0
pc
r
i
MPacMPac
(a)
0
10
20
30
40
50
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Deformacin Plstica Efectiva [%]
*
304623
r
p
o
100%32.0
pf
(b)
-
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Daificacin del Macizo Rocoso
Zea, USP 2004
Daificacin del Macizo Rocoso
Altura de taludH Altura de taluddaado
Dh
Dv
HD
40
0,40 MPa
0,25 MPa0,10 MPa
Macizo rocosono daado
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Altura de talud [m]
k = 1,1k = 1,3k = 1,5k = 1,7
HHD
-
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Daificacin del Macizo Rocoso
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Altura de talud [m]
k = 1,1k = 1,3k = 1,5k = 1,7
HDh
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Altura de talud [m]
k = 1,1k = 1,3k = 1,5k = 1,7
HDv
Evaluacin del factor de Seguridad
Superfcie de Ruptura Inicial
Superficie de Ruptura Crtica 1
H = 300 metros
MPac 407,046
FOS = 2.118
Sin Considerar el Dao al Macizo Rocoso
Superfcie de Ruptura Inicial
Superfcie de Ruptura Crtica 2
46 ;07,0 MPac
40 ;25,0 MPac30 ;35,0 MPac
H = 300 metros
26 ; 407,0 MPac
26 ; 407,0 MPac
FOS = 1.345
Considerando el Dao al Macizo Rocoso
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Conclusiones la trayectoria de tensiones modifica los parmetros de
resistencia del macizo rocoso: Daificacin Daificacin: aparicin de fracturas por tensiones inducidas
perdida de cohesin, movilizacin y degradacin de la friccin Interaccin entre nuevas fracturas y las pr-existentes:
mecanismos de coalescencia, ruptura progresiva Avance de la superficie de ruptura: pie a la cresta, debido a la
concentracin de tensiones en el pie del talud Aumento de daificacin con el aumento de la altura de taludes,
rupturas por dao inducido Factor de seguridad: FOSsin dao > FOScon dao