REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE
PERNOS DE ANCLAJE
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
Elementos de Sostenimiento
A - Perno con anclaje expansivo
B - Estabilizador de Fricción
C - Perno Cementado
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
RESISTENCIA EN TRACCIÓN
La acción principal de todos de pernos para roca es el de resistir el movimiento o el disloque
del terreno. En general en la roca dura este disloque es el resultado por las fallas y
fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presión vertical o
horizontal, por el efecto de la gravedad en los bloques y con el efecto de las variaciones en
la temperatura y humedad en la roca masiva.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
Un perno para roca con anclaje de expansión controla el
movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo
la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina
de apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de
aproximadamente 3.5 Tn y tiene una resistencia en tracción
(ROTURA) máxima de 12,5 Tn.
Utilizado generalmente en las estructuras de roca masiva con
bloques o estratas.
PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN
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Estabilizadores de fricción están constituidos por un trozo de
tubo de acero más ancho que el diámetro de la perforación y que
es partido a lo largo por el centro. La fricción ejercida por los
costados del perno lo mantienen en su lugar creando fuerzas
que se extiendan radicalmente. Este proceso provee la fuerza
de fricción (1–1.5 Tn/pie) que actúa previniendo el movimiento o
separación del terreno.
Utilizado generalmente en roca severamente agrietada o fracturada
sujeta a condiciones de baja tensión.
ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN “SPLIT SETS
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Verificar la resistencia del perno durante la instalación, el tiempo de instalación por un
estabilizador de 2,1 metros (7 pies) debe ser 1 hasta 1,5 minutos.
La resistencia de un estabilizador de fricción se puede variar con ;
1. Diámetro del taladro
2. Tipo de roca
3. Fracturas, fallas
RESISTENCIA DURANTE LA INSTALACIÓN
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Los pernos fabricados de acero corrugado instalados en una lechada de
resina o cemento resiste el movimiento del terreno debido a los puntos
de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o
lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro
de la perforación y de la estructura de la roca (- + 10 Tn/pie).
Se recomienda para todos tipos de estructuras para el sostenimiento de
altra resistencia y a largo plazo.
( LECHADA DE RESINA O CEMENTO)
PERNOS CEMENTADOS
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PERNOS DE BARRA DE CONSTRUCCION
DESCRIPCIÓN: Pernos de Barra de Construcción, barras laminadas en
caliente con resaltes, con roscas cortadas en un extremo para aceptar una
tuerca cuadrada. Las roscas conformen con 3/4” – 10 NC o 1” – 8 NC.
PERNOS CEMENTADOS
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BARRA HELICOIDAL
DESCRIPCIÓN: (BH)- Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca
helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una tuerca que puede rodar
longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la barra.
PERNOS CEMENTADOS
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REFUERZO EN EL MACIZO ROCOSO
• El modo de acción del refuerzo en un medio discontinuo pretende un mejoramiento en las
propiedades estructurales de la roca, también evitar grandes desplazamientos de bloques completos
• Dos de los más importantes factores son: la factibilidad cinética (el hecho de que los bloques están libres al movimiento, dada la situación geométrica de las áreas expuestas en el macizo rocoso de la excavación) y el carácter del refuerzo (cantidad, longitud y orientación).
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
Tomando el volumen EDZ= V, sobre 1m2 de área de túnel, el peso de EDZ es:
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Teoría de Bloque:
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DISEÑO DE REFUERZO Cuando la condición estructural es importante, es decir, cuando la masa de roca se encuentra
altamente fracturada, puede ocurrir una respuesta del tipo discontinuo y los bloques de roca
pueden moverse hacia la excavación, generando de esta manera una condición potencial de
riesgo, pudiendo inclusive ocurrir el desmoronamiento parcial o total de la excavación
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FACTORES DE DISEÑO QUE DEFINEN LA EFICIENCIA DEL REFUERZO DE
LA ROCA
OPERACIÓN:
1. INSTALACION OPORTUNA
2. INSTALACION ADECUADA
3. TECNOLOGIA ADECUADA:
1. MATERIALES
2. INSTALACIÒN
CALIDAD:
1. CONTROL DE CALIDAD:
1. MATERIALES
2. INSTALACION
ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD
1. Instalación rápida, cercana al frente.
2. Lograr un contacto íntimo entre la roca y el sistema
3. El sistema debe ser flexible y capaz de deformarse de modo compatible a los
desplazamientos del macizo rocoso.
4. Adaptación rápida a cambios de condiciones y de tamaño de la excavación
5. Mínima obstrucción del espacio libre de la galería o túnel
REQUERIMIENTOS PARA UN SISTEMA DE REFUERZO SATISFACTORIO
El sistema de sostenimiento con pernos de roca es controlar la estabilidad de los bloques y
cuñas potencialmente inestables.
Cuando los bloques o cuñas son aislados, se puede estabilizarlas con pernos puntuales o
aislados, caso contrario se usa un reticulado sistemático en todo el techo y/o paredes de la
excavación.
ROCA MASIVA O LEVEMENTE FRACTURADA Y FRACTURADA
Con un sistema dominante de discontinuidades sub-horizontales, los pernos ayudan a controlar el
desplazamiento relativo entre los estratos, aumentando la rigidez de la viga estructural que forman
y creando “compactaciòn” entre los bloques tabulares, para minimizar la deflexión del techo. Esto
es lo que se llama también el “efecto viga”.
Este concepto puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades
sub-verticales, generando el denominado “efecto columna”, para minimizar el pandeo de los
bloques tabulares.
ROCA ESTRATIFICADA SUBHORIZONTAL Y ROCA NO
ESTRATIFICADA
COMPORTAMIENTO DEL REFUERZO EN ROCA FRACTURADA
El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y
disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados
anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el
ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad .
El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y
disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados
anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el
ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
TEORIAS DE REFUERZOS
Teoría de Suspensión
La teoría de Jun Lu Luo (1999) se refiere a la formación de vigas inmediatamente
después de realizada una excavación. Este fenómeno se advierte principalmente en
el estrato inmediato sobre el techo.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
• La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la estabilidad bajo cierto factor
de seguridad, SF, puede ser escrita como:
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• 2 Teoría construcción de viga
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
EFECTO VIGA
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1.9.3 Entrelazado
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
TRANSFERENCIA DE CARGA
Esta acción de abrazadera
es diseñado para prevenir
bandeamientos o laminaciones
expuestas a fallar, por lo tanto
mantener
la capacidad portante del estrato
Tensión en el perno previene el
movimiento o deslizamiento
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EFECTO COLUMNA
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
Los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma
radial, cada perno crea una resistencia mas adecuada, que al interactuar con los pernos
adyacentes forman un arco portante que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el
mismo que da estabilidad a la excavación.
Existen también, otros principios bajo los cuales funcionan los pernos de roca para tratamientos
específicos, como asegurar o “coser” zonas de falla, zonas de corte y otras zonas de debilidad,
instalados cruzando estas zonas.
ROCA FRACTURADA E INTENSAMENTE FRACTURADA
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EFECTO ARCO GENERADO POR INTERACCION DE ESTRATOS DE
ROCA Y RESISTENCIA DE LOS PERNOS.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
EFECTO ARCO
EFECTO DE TENSIÒN Y CORTE
El refuerzo trabaja como una grampa
previniendo la falla del macizo rocoso,
bajo este concepto actúa para:
1. Mantener su capacidad de auto soporte
2. Prevenir la expansión de la roca
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Calculo de Soporte de Bloque:
Si tomamos uno de los fundamentos de diseño que tiene relación con el factor de seguridad
(SF), entonces para este caso:
La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la
estabilidad bajo cierto factor de seguridad, SF, puede ser escrita
como
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SOSTENIMIENTO DE BLOQUES
Se basa en que cada perno debe estar anclado, a lo largo de una longitud suficiente para agotar
la carga axial que la barra del perno debe soportar, y su densidad expresada por el numero de
pernos por cada cm2 de superficie de roca a sostener, debe ser suficiente para equilibrar el peso
de la roca que debe ser sostenida.
Anclaje de un bloque sin
cohesión en los contactos.
Anclaje de un bloque con cohesión en los contactos.
W sen β
W cos β
R = Ca + W cos β tanΦ
β
Para este caso para anclar el bloque de roca, el numero de pernos que es necesario colocar
estará defino por la siguiente relación matemática:
senftagB
ActagsenfWN
..cos
..cos.
Donde:
N = numero de pernos, colocados con una inclinación (º)
W = peso del bloque de roca
f = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3
Φ = Angulo de fricción en la superficie del contacto, de inclinación β.
c = cohesión en la superficie del contacto de inclinación β.
B = fuerza vertical que puede soportar un pernos.
A = longitud del contacto afectado por el deslizamiento.
Sostenimiento de un bloque inestable anclado al techo de roca
sólida.
W
S
Roca sólida
Estratos de roca inestable = h
c
h
s
El máximo peso que puede soportar un perno esta dado por la siguiente expresión matemática:
.... hcsFW
Donde:
F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3
s = Espaciado transversal de los pernos
c = espaciado longitudinal de los pernos
h = espesor de los estratos de roca que deben ser anclados
ρ = densidad de la roca
Si no hay cohesión entre los contactos, el numero de pernos que
deberá colocarse para sostener un bloque de roca, estará dado
por la siguiente expresión matemática:
B
FWN
.
Donde:
N = numero de pernos
W = peso del bloque de roca
F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3
B = fuerza vertical que es capaz de soportar un perno.
La fuerza axial, FA, que puede soportar la barra del perno se calcula usando la siguiente relación
matemática:
FA = Fuerza axial
D = diametro del perno
σA = resistencia especifica del acero
AA
DF
.
4
. 2
... LDFT
FT = fuerza de adherencia
D = diametro del perno
L = Longitud anclada del perno
= Adherencia del perno a la roca.
La resistencia efectiva del perno estará dada por la menor de las dos fuerzas FA o FT.
El perno-roca tiene una conexión c y un ángulo de rozamiento Φ, la tensión tangencial, , que
podrá generase admitiendo un comportamiento Mohr-Coulomb.
tagc
σ = Tensión circunferencial que se genera en la roca durante la excavación, los pernos se
colocaran radialmente.
Si la roca plástica esta en condiciones residuales, lo que significa que ha perdido su cohesión, la
tensión tangencial que podrá soportar un perno será:
rtg .
COLOCACION DE PERNOS EN MACIZOS ROCOSOS INTENSAMENTE
PLASTIFICADOS.
Actualmente, la mejor forma de calcular las cargas a que están sometidos
los pernos se realiza mediante un análisis tenso-deformacional con
aplicación de elementos finitos.
Una de las formas de modelar el comportamiento del perno consiste en
utilizar un elemento barra y definir una rigidez axial, Ka, para calcular la
fuerza axial que actúa sobre la barra del perno y otra rigidez tangencial,
Kb, para calcular la adherencia entre el perno y la roca.
Sb
Fuerza longitudinal del
perno
Kb
Desplazamiento del perno relativo al material del entorno.
Rigidez tangencial y axial de un perno.
RIGIDEZ AXIAL (KA) de un perno relaciona la fuerza axial aplicada F en su extremo y el
desplazamiento que se produce,
FK A
Sb
Fluencia
Ea
Rigidez tangencial y axial de un perno.
Deformación axial en el elemento
Fuerza axial en el
elemento Ruptura
Mediante la siguiente expresión matemática, se puede calcular la rigidez axial Ka.
L
DEK b
a4
.. 2
Donde:
Ka = Rigidez axial
Eb = modulo de elasticidad de la barra de acero del perno
D = Diametro del perno
L = Longitud del perno
Por otro lado, la rigidez tangencial Kb puede obtenerse mediante ensayos a tracción in-situ sobre
pernos cortos.
LUKF abT ..Donde:
FT = Fuerza de adherencia del perno
Ua = Desplazamiento del perno hasta deslizar
L = Longitud del perno.
CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJE.
Algunos autores han clasificado los pernos de roca teniendo en cuenta lo siguiente:
Los pernos de anclaje tradicionalmente se han clasificado en función del anclaje
en el macizo rocoso, anclaje puntual, o a lo largo de toda la barra del perno, anclaje
repartido.
Actualmente con el avance de la tecnología se clasifica los pernos de roca según
el mecanismo en el que se fundamentan: Adherencia y fricción.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
PERNOS DE ROCA
Los sistemas de refuerzo con pernos de roca minimizan las
deformaciones inducidas por efecto de la carga litostàtica, y aquellas
inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a
la excavación.
El principio fundamental consiste en controlar las deformaciones de la
superficie de la excavación, restringiendo los desplazamientos relativos
de los bloques de roca adyacentes.
Los pernos de roca, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro
efectuado en el macizo rocoso y se adhieren a ésta por un procedimiento mecánico o por medio
de una sustancia adherente.
Por otro lado, otros investigadores han clasificado a los pernos de roca por: Su forma de actuar,
existen en principio dos tipos de pernos:
Los activos y
Los pasivos.
PERNOS DE ROCA
El perno de roca activo funciona como un anclaje: está unido a la roca por la punta,
tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El perno se tensa a una carga comprendida
entre 6 y 15 Tm., según tipos y diámetros, y la placa transmite dicha carga al macizo
rocoso.
Pernos de roca activo.
El Perno de roca pasivo, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa
de manera similar a las armaduras del concreto; desarrolla su trabajo una vez que el
macizo rocoso empieza a deformarse. Teóricamente no es necesario el uso de placa,
aunque se suele usar para sujetar la malla, si éste existe.
PERNOS DE ROCA PASIVO.
• En la construcción de túneles se usa casi siempre el perno pasivo. Las razones son
fundamentalmente dos:
Es más rápido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual ésta
desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios básicos de la construcción
moderna de túneles).
Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de pernos en función
de su sistema de colocación y adherencia a la roca.
Los más utilizados son los siguientes:
PERNOS DE ROCA PASIVO.
PERNO DE ANCLAJE MECANICO
Consiste en una barra de acero con un dispositivo de expansión en el extremo final, que se
abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento.
La barra se tensa mediante una tuerca en el extremo (cabeza). Es un perno activo, y su uso
es muy limitado.
La fuerza de anclaje es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el
tiempo tiende a disminuir la fuerza de anclaje por relajación del sistema de expansión.
PERNOS MECANICOS CON ANCLAJE DE EXPANSIÓN CC 35
E Diámetro nominal 5/8" (15.8 mm)
T1 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo tuerca 25 - 100 mm ( 1- 4 " )
T2 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo anclaje 140 mm ( 5.5" )
L Longitud del perno en metros ±6.4 mm
TUERCAGrado 2, roscas 9/16" NC. x 1 1/8" cuadrada
LONGITUDES DISPONIBLES: 1.0m - 1.5m - 2.0m - 3.0m
Grado - SAE 1045 Roscas Laminadas 9/16"
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
PLATINA DE APOYO TIPO CUPULA:
Acero A36, agujero 15/16"
Espesor: 6.4 mm ( 1/4" )
Largo : 127mm-150mm ( 5" - 6" )
Ancho : 127mm-150 mm ( 5" - 6" )
PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES DE EXPANSION
La acción de girar la tuerca hace que la cuña roscada se mueva a lo
largo de la porción extrema roscada del perno, además de forzar las
hojas laterales del anclaje hasta ampliar su diámetro y entrar en
contacto con la pared del taladro. Esto da lugar a una resistencia de
fricción en el extremo del anclaje y tensión en el perno. Esta tensión
es relativa a la cantidad de esfuerzo de torsión (torque) aplicado y del
tipo de roca en que se apoyará el anclaje.
Los pernos mecánicos con anclajes se utilizan generalmente en
estructuras de roca masiva con bloques o estratificado. Se usa un
adaptador con una caja de 28mm cuadrada (1 1/8") y un barreno
hexagonal de 7/8" para la instalación del perno.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
36-38
mm.
PARAMETROS A CONSIDERAR EN LA INSTALACION
DE PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES:
Diámetro de perforación: 36-
38mm
TORQUE: 100-200 lb-pie
Tipo de Roca: masivo-estratificado, calidad II-IIIA
(RMR>50)
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
Con una inclinación de 45 grados un perno
puede perder hasta un 50% de su tensión final
por cizallamiento.
Ejemplo de un perno mecánico de 5/8” con
cabeza forjada hecho en acero SAE 1045.
ANGULO DE INSTALACIÓN
ANGULO TENSIÓN
0° 100%
10° 80%
35° 60%
45° 50%
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
ADAPTADOR ESTANDAR PARA LA INSTALACION DE
PERNOS MECANICOS
Cortar el culatín del barreno a 7.5cm (3 pulg.) del collarín.
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
·Revisar el estado del perno,las roscas y el
anclaje
·Asegurarse que los anclajes giren libremente
·Ajustar el anclaje al diámetro del taladro
·Sacar la camisa plástica del anclaje
antes de insertarlo
·Se recomienda un torque y tensión
adecuada para la instalación
AL INSTALAR LOS PERNOS CON
ANCLAJES, NO OLVIDE...
Alas de fricción
Camisa plástica
9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES
DESCRIPCION DE LOS PERNOS DE ANCLAJE MECANICO.
Un perno de anclaje mecánico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16 mm
de diámetro, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión que va al
fondo del taladro. Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o con rosca, en
donde va una placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, para presionar la
roca.
Su acción de reforzamiento de la roca es inmediata después de su instalación.
Mediante rotación, se aplica un torque de 100 a 250 lb-pie a la cabeza del perno, el
cual acumula tensión en el perno, creando la interacción en la roca.
COMPONENTES DE UN ANCLAJE MECANICO