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    Excavaciones en Mecánica de Rocas

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    Miguel Bedón Gomez
    Este documento trata sobre la excavación de taludes en mecánica de rocas. Presenta diferentes métodos de excavación como palas excavadoras, mototraillas y voladuras. También describe varios índices de excavabilidad como los de Kirsten, Weaver, Abdul Latif y Cruden, y Franklin, que evalúan parámetros como la resistencia a la compresión, fracturación, y propiedades de las discontinuidades. Finalmente, analiza la aplicación de estos criterios en la evaluación de la excavabilidad de dos desmontes específicos en una autov

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    Excavaciones en Mecánica de Rocas

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    Miguel Bedón Gomez
    298 vistas34 páginas
    Este documento trata sobre la excavación de taludes en mecánica de rocas. Presenta diferentes métodos de excavación como palas excavadoras, mototraillas y voladuras. También describe varios índices de excavabilidad como los de Kirsten, Weaver, Abdul Latif y Cruden, y Franklin, que evalúan parámetros como la resistencia a la compresión, fracturación, y propiedades de las discontinuidades. Finalmente, analiza la aplicación de estos criterios en la evaluación de la excavabilidad de dos desmontes específicos en una autov

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    Trata sobre Métodos de Excavación en Mecánica de Rocas

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    Este documento trata sobre la excavación de taludes en mecánica de rocas. Presenta diferentes métodos de excavación como palas excavadoras, mototraillas y voladuras. También describe varios índices de excavabilidad como los de Kirsten, Weaver, Abdul Latif y Cruden, y Franklin, que evalúan parámetros como la resistencia a la compresión, fracturación, y propiedades de las discontinuidades. Finalmente, analiza la aplicación de estos criterios en la evaluación de la excavabilidad de dos desmontes específicos en una autov

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    Excavaciones en Mecánica de Rocas

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    Este documento trata sobre la excavación de taludes en mecánica de rocas. Presenta diferentes métodos de excavación como palas excavadoras, mototraillas y voladuras. También describe varios índices de excavabilidad como los de Kirsten, Weaver, Abdul Latif y Cruden, y Franklin, que evalúan parámetros como la resistencia a la compresión, fracturación, y propiedades de las discontinuidades. Finalmente, analiza la aplicación de estos criterios en la evaluación de la excavabilidad de dos desmontes específicos en una autov

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    UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

    UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA


    CIVIL

    EXCAVACIONES EN
    MECÁNICA DE ROCAS

    Alumno: Miguel Angel Bedón Gómez


    1.- EXCAVACIÓN DE TALUDES

    La excavación de un talud requiere la utilización de medios


    mecánicos o voladuras. La selección del método de
    excavación depende básicamente de la excavabilidad de los
    materiales, de las dimensiones y geometría de la excavación y
    del rendimiento de la maquinaria.
    Los principales métodos de excavación son:
     Pala excavadora y pala cargadora.
     Mototraillas.
     Ripadoras
     Voladuras
    La excavación mediante medios mecánicos
    convencionales, tales como palas o mototraillas, sólo es
    aplicable a suelos no cementados y a rocas altamente
    meteorizadas. En el resto de los casos, las rocas deben
    extraerse mediante ripado o voladura.
    Una roca es ripable cuando puede ser excavada por
    medios mecánicos sin utilizar explosivos. La ripabilidad
    depende de los siguientes parámetros del macizo:
     Resistencia a la compresión simple de la roca.
     Resistencia a la tracción.
     Velocidad de propagación de ondas sísmicas en el medio
    rocoso.
     Grado de fracturación del macizo (RQD).
     Características de las discontinuidades: espaciado,
    continuidad, abertura, etc.
     Estructura y estratificación de la roca, alternancia de niveles
    de distinta competencia, etc.
    También depende de las características propias de los equipos
    de excavación.
    1.1.- Criterios de Excavabilidad en Taludes
    1.1.1.- Velocidad de Ondas Sísmicas

    La velocidad de propagación de las ondas longitudinales en el


    terreno constituye el parámetro más representativo para definir
    la excavabilidad del terreno y las propiedades hasta las cuales
    es excavable, ripable o requiere el empleo de voladura. La
    velocidad de las ondas sísmicas refleja el grado de
    compacidad, alteración y fracturación que intervienen en la
    excavabilidad.
    Cuadro 01. Gonzales Vallejo 2002.
    Figura 01. Ripabilidad de distintas rocas para maquina ripadora tipo D10R de Caterpillar (modificado de
    Finanzauto, 2001)
    1.1.- Criterios de Excavabilidad en Taludes
    1.1.2.- Índice de excavabilidad de Hadjigeorgiou y
    Scoble
    El Índice de excavabilidad (IE) se define a partir de la expresión:

    En el cuadro 02. Se indican los parámetros que intervienen en la


    expresión.
    Cuadro 02. Gonzales Vallejo, 2002.
    1.1.- Criterios de Excavabilidad en Taludes
    1.1.3.- Índice de Ripabilidad de Singh y Denby

    Se obtiene de la suma de los siguientes parámetros:


     Resistencia a tracción.
     Grado de alteración.
     Grado de abrasividad (a partir del índice Cerchar)
     Espaciado de las discontinuidades.
    Cuadro 03. Gonzales Vallejo 2002.
    2.- APLICACIÓN DE EXCAVACIÓN EN TALUDES

    IV INTERNATIONAL SEMINAR: EARTHWORKS IN EUROPE

    “Criterios de excavabilidad de macizos rocosos. Factores de


    corrección. Su aplicación a desmontes en calizas y pizarras
    con areniscas”.

    Galindo, Rubén.(1) & Román, Fernando.(2)


    (1) Prof. Dr. Civil Engineer, Universidad Politécnica de Madrid
    (UPM), Madrid (Spain).
    (2) Prof. Dr. Civil Engineer, Universidad Politécnica de Madrid
    (UPM), Madrid (Spain).
    2.1.- Generalidades
     En 2010 y 2011 se estuvo
    investigando en la autovía A-63,
    entre Cornellana y Salas, acerca
    de la estabilidad y tratamientos de
    muchos de los desmontes
    entonces parcialmente abiertos.
     En los más de 7 años
    transcurridos desde entonces, las
    obras han estado prácticamente
    interrumpidas.
     Los desmontes entonces
    iniciados permanecen abiertos y,
    en casi ninguno, dio tiempo a
    poner en práctica los tratamientos Figura 03. Situación del tramo de autovía

    recomendados.
    2.2.- Entorno Geológico
     La mayor parte de los desmontes se excavan en la serie turbidítica del
    Carbonífero superior y del Devónico constituida por una alternancia rítmica
    de areniscas, pizarras y, en alguna ocasión, calizas.
     En general la estructura presenta alineaciones Norte-Sur con las capas
    buzando hacia el Este, salvo algunos pliegues en uno de los desmontes.
    2.3.- Criterios de Excavabilidad
    Se han usado los criterios o clasificaciones siguientes:
     Bieniawski (1989) y Barton et al (1974) que combinadas son usadas por otros autores.
     Kirsten (1982) que define un índice N en función de la resistencia a la compresión simple, del
    RQD, del Nº de juntas y de su rugosidad, y de la dirección de ripado. Nótese que usa los factores
    de Barton et al.
     Weaver (1989) que parte de los factores de Bieniawski y da un índice que asocia a una
    determinada potencia de tractor para ripar.
     Abdul Latif y Cruden (1983) que correlacionan los índices RMR de Bieniawski y Q de Barton.
     Franklin (1971) que parte de la resistencia a la compresión simple y de la fracturación.
     Hay más clasificaciones como la de Hadjigeorgiou y Scoble (1990), la de Singh, R.N. y Denby
    (1989) o la de Pettifer and Fookes (1994), sin embargo no se consideró en el siguiente artículo.
    Además se ha revisado la geofísica sísmica por refracción que se hizo antes de abrir las
    excavaciones actuales y se han usado las tablas de ripabilidad de Caterpillar (2000) y de Komatsu
    (2013) para tractores de similar potencia al ripper.
    Figura 03. Ficha usada en campo para la toma de datos geomecánicos
    2.3.1.- Criterio de Kirsten (1982)
    Kirsten propuso un sistema de clasificación para excavaciones a través de un índice de
    excavabilidad N dado por la expresión

    donde:
    Ms = Número de resistencia de la matriz rocosa. Se aproxima con la resistencia a la compresión
    uniaxial (MPa).
    RQD = Rock Quality Designation (%).
    Jn, Jr = Parámetros del sistema de clasificación Q de Barton.
    Js = Número que representa la orientación relativa de los bloques individuales respecto de la
    dirección de ripado.
    Para material intacto Js = 1,0.
    J =Factor de alteración de la junta.
    Kirsten sugiere la forma de llegar a los distintos parámetros de su expresión con distintas tablas que
    no exponemos aquí.
    El índice de excavabilidad N obtenido a partir de la ecuación anterior nos permite clasificar la facilidad de
    excavación de la forma siguiente:
    1<N<10 Fácilmente ripable
    10<N<100 Ripable duro (con cierta dificultad)
    100<N<1000 Ripable muy duro (difícil)
    1000<N<10000 Ripable extremadamente duro (muy difícil) / voladura
    N>10000 Voladura

    Tabla 1 Sistema de clasificación de la excavabilidad según Kirsten(1982)


    2.3.2.- Criterio de Weaver (1989)
    Weaver publicó en 1975 una clasificación de la ripabilidad a partir del índice de
    Bieniawski de 1973 que puede verse en la tabla siguiente:

    Tabla 2. Carta de ripabilidad de Weaver(1975) tomada de Clark (1996)


    Posteriormente, se publicó en 1989 la carta anterior modificada a partir de la clasificación de
    Bieniawski de 1983. Es la de la tabla siguiente.

    Tabla 2. Carta de ripabilidad modificada de Weaver(1989) tomada de Clark (1996)


    2.3.3.- Criterio de Abdul Latif y Cruden (1983)
    Estos autores encontraron una buena correlación entre los índices de Bieniawski (RMR)
    y de Barton (Q) junto con la facilidad de excavación en canteras inglesas.

    Tabla 2. Criterio de excavabilidad según Abdul Latif y Cruden (1983)


    2.3.4.- Criterio de Franklin et al (1971)
    Se esquematiza en las figuras siguientes:

    Figura 4 (izquierda). Criterio de excavabilidad según Franklin et al (1971).


    Figura 5 (derecha). Criterio de excavabilidad según Franklin et al (1971)
    traducido y ampliado por García V. (2004)
    2.3.5.- Criterios de ripabilidad según Caterpillar y Komatsu
    Se esquematiza en las figuras siguientes:

    Criterio de ripabilidad según Caterpillar (2000) para un D9R y para un D11R


    Criterio de ripabilidad según Komatsu (2013) para un D155A y para un D475A
    2.3.5.- Desmontes analizados
     Desmonte 5
    De la geofísica se obtienen las secciones de las figuras 8 y 9 en las que se ha
    representado la sección teórica de proyecto y la sección excavada actualmente. Se
    indican además las áreas que corresponden a los distintos grados de excavabilidad
    según la geofísica sísmica y el valor de sus superficies

    Figura 8. Excavabilidad deducida de la geofísica en el PK 2+190.


    Desmonte 5

    Figura 8 Excavabilidad deducida de la geofísica en el PK 2+380.


    Figura 8 Excavabilidad deducida de los índices de excavabilidad

    Figura 8 Alternancia de areniscas con lutitas pizarrosas en el PK


    2+380 en el nivel considerado como ripable duro.
     Desmonte 8
    De la geofísica se obtienen la sección de la figura 12.

    Figura 12. Excavabilidad deducida de la geofísica en el PK 4+150


    Figura 8 Excavabilidad deducida de los índices de excavabilidad

     Es probablemente el desmonte de
    estructura más complicada de
    interpretar. Se produce en las
    denominadas “calizas de Candás”
    constituidas por calizas arrecifales
    de color grisáceo con frecuentes
    juntas en las que existe una pátina
    rojiza de meteorización que da un
    tono rojizo a todo el paramento
    excavado. Existen zonas en las que
    la karstificación ha dejado juntas
    abiertas que individualizan bloques
    del macizo.
     El desmonte se encuentra
    totalmente excavado y la foto 2
    ilustra la naturaleza y estado de la
    primera mitad del desmonte.

    Figura 8 Alternancia de areniscas con lutitas pizarrosas en el PK


    2+380 en el nivel considerado como ripable duro.
     Desmonte 11
    La investigación se ha centrado en una zona donde abundan las areniscas sobre las lutitas y llegan a
    tener un grado de cementación que prácticamente podrían ser calcarenitas. Una sección representativa
    es la de la figura 13.
    En este desmonte se han
    tomado numerosos puntos
    de observación PO que han
    permitido dar los índices de
    excavabilidad de la tabla 7.
    Prácticamente todos los
    índices contemplan un
    grado de excavación con
    explosivos.

    Figura 12. Excavabilidad deducida de la geofísica en el PK 4+150


    Fotos 3 y 4. Desmonte D-11 en su PK 5+570. Panorámica y detalle ampliado del extremo izquierdo de la foto.

    La foto 3 en el PK 5+570 es claramente significativa. Puede haber niveles con cierta predominancia de lutitas
    pizarrosas pero basta que se intercalen niveles arenicosos no ripables, y que necesiten voladuras, para que todo el
    desmonte deba ser considerado como no ripable.
    La foto 5, entre los PK 5+590 y 5+680 es aún más significativa de la excavabilidad con explosivos.
    Figura 8 Excavabilidad deducida de los índices de excavabilidad

    Foto 5. Desmonte D-11 en su PK 5+650.


    CONCLUSIONES
     En los tres casos que hemos expuesto en este documento, puede decirse que existe una
    buena correlación entre los distintos criterios de excavabilidad, tanto entre los sugeridos por
    los autores elegidos, como si los comparamos con las sugerencias de los dos fabricantes de
    tractores.
     Por ello, parece recomendable el uso de estos criterios cuando estamos estudiando la
    excavabilidad de un macizo rocoso, bien entendido que existan buenos afloramientos
    rocosos, que los perfiles sísmicos se tomen en la misma alineación y dirección del ataque de
    los rippers y que haya suficiente espacio para garantizar la eficacia del trabajo de los
    equipos.
    MUCHAS GRACIAS

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