Sostenimiento de Rocas Con Pernos de Anclaje

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(1)

CURSO: MECANICA DE ROCAS

CURSO: MECANICA DE ROCAS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

F

FACULTACULTAD AD DE DE INGENIERIINGENIERIA GEOLOGIA GEOLOGICA MINERA MECA MINERA METTALURGICA YALURGICA Y

GEOGRAFICA

GEOGRAFICA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.

Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.

SOSTENIMIENT

SOSTENIMIENT

O DE

O DE

ROCAS CON

ROCAS CON

PERNOS DE ANCLAJE

(2)

INTRODUCCION

INTRODUCCION

•• El sostenimiento activo en

El sostenimiento activo en excavaciones

excavaciones

subterráneas son un conjunto de procedimientos y

subterráneas son un conjunto de procedimientos y

materiales utilizados para mejorar la

materiales utilizados para mejorar la estabilidad,

estabilidad,

mantener la capacidad resistente a solicitación del

mantener la capacidad resistente a solicitación del

macizo rocoso en las cercanías al perímetro

macizo rocoso en las cercanías al perímetro de la

de la

excavación.

excavación.

•• La tendencia actual en el mundo es lograr

La tendencia actual en el mundo es lograr el

el

autosostenimento de la roca, procurando conservar

autosostenimento de la roca, procurando conservar

la resistencia natural de la misma,

la resistencia natural de la misma, tratando de

tratando de

movilizar los esfuerzos hacia los bordes de

movilizar los esfuerzos hacia los bordes de la

la

excavación. Generalmente la solución consiste en

excavación. Generalmente la solución consiste en

combinar varios tipos de sostenimiento

(3)

INTRODUCCION

INTRODUCCION

•• El sostenimiento activo en

El sostenimiento activo en excavaciones

excavaciones

subterráneas son un conjunto de procedimientos y

subterráneas son un conjunto de procedimientos y

materiales utilizados para mejorar la

materiales utilizados para mejorar la estabilidad,

estabilidad,

mantener la capacidad resistente a solicitación del

mantener la capacidad resistente a solicitación del

macizo rocoso en las cercanías al perímetro

macizo rocoso en las cercanías al perímetro de la

de la

excavación.

excavación.

•• La tendencia actual en el mundo es lograr

La tendencia actual en el mundo es lograr el

el

autosostenimento de la roca, procurando conservar

autosostenimento de la roca, procurando conservar

la resistencia natural de la misma,

la resistencia natural de la misma, tratando de

tratando de

movilizar los esfuerzos hacia los bordes de

movilizar los esfuerzos hacia los bordes de la

la

excavación. Generalmente la solución consiste en

excavación. Generalmente la solución consiste en

combinar varios tipos de sostenimiento

(4)

SOSTENIMIENTO ACTIVO-CONCEPTOS GENERALES

SOSTENIMIENTO ACTIVO-CONCEPTOS GENERALES

SOSTENIMIENTO:

SOSTENIMIENTO:

Combinación de elementos estructurales necesarios colocar para asegurar y Combinación de elementos estructurales necesarios colocar para asegurar y proteger la estabilidad de las excavaciones, personas y equipos durante la proteger la estabilidad de las excavaciones, personas y equipos durante la etapa de construcciòn y tiempo de servicio.

etapa de construcciòn y tiempo de servicio.

PRINCIPIOS A

PRINCIPIOS A CONSIDERACONSIDERAR:R:

1.

1. Al realiAl realizar uzar una exna excavcavacióación, el n, el macmacizo rizo rocoocoso suso sufre ufre una dna defoeformarmacióción y estn y estaa deformación debe ser compatible con el tipo y tiempo de servicio que ha de deformación debe ser compatible con el tipo y tiempo de servicio que ha de prestar la estructura subterránea a un costo de mantenimiento razonable.

prestar la estructura subterránea a un costo de mantenimiento razonable. 2.

2. El tiempEl tiempo juo juega uega un pan papel pel funfundamdamentental poal por qur que cone condicdicioniona laa las cars caractacteríerísticsticasas que debe cumplir el sostenimiento: ser permanente o temporal.

que debe cumplir el sostenimiento: ser permanente o temporal.

En general, al transcurrir el tiempo se genera cierta degradación de las En general, al transcurrir el tiempo se genera cierta degradación de las propiedades del suelo o del macizo rocoso, debido esencialmente a los propiedades del suelo o del macizo rocoso, debido esencialmente a los efectos ambientales.

(5)

SOSTENIMIENTO - CONCEPTOS GENERALES

El dimensionamiento del tipo de refuerzo

depende básicamente de:

• La calidad del macizo rocoso,

• La geometría de la excavación y

• El estado tensional existente en el terreno

antes de realizar la excavación

Para dimensionar adecuadamente un sistema

de refuerzo, es preciso tener en consideración la

interacción roca-sostenimiento.

(6)

INTERACCION ROCA-SOSTENIMIENTO

El diseño de los sistemas de sostenimiento para excavaciones subterráneas, son realizados especialmente para controlar las deformaciones causadas por los esfuerzos inducidos luego de la excavación.

El análisis roca-sostenimiento es un problema originado por una gran variedad de factores que deben tomarse en cuenta para seleccionar un adecuado sistema de sostenimiento.

(7)

Análisis de diferentes tipos de refuerzo:

1. Sistema muy rígido para el momento de instalación 2. Sistema es adecuado si el

desplazamiento en C es aceptable 3. Sistema muy flexible, un pequeño

aumento de carga podría causar inestabilidad

4. Sistema tiene una rigidez

adecuada pero es instalado muy tarde para controlar la

deformación ya creciente de la roca

INTERACCION ROCA-SOPORTE

CURVA CARACTERISTICA DEL TERRENO

(8)
(9)

FACTORES DE DISEÑO QUE DEFINEN LA

EFICIENCIA DEL REFUERZO DE 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

(10)

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

(11)

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.

(12)

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 ESTRATIFICA DA SUB HORIZONTA L Y ROCA NO ESTRATIFICA DA

(13)

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

(14)
(15)
(16)

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 FRACTURA DA E INTENSAMENTE FRACTURADA

(17)

EFECTO ARCO GENERA DO POR INTERA CCION DE

ESTRATOS DE RO CA Y RESISTENCIA DE L OS

(18)

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

(19)

SOSTENIMIENTO DE B L OQUES

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

cm

2

  de superficie de roca a sostener, debe ser

suficiente para equilibrar el peso de la roca que debe

ser sostenida.

A n c l a je d e u n b l o q u e s i n c o h e s i ón e n lo s c o n t a c t o s  .

(20)

An claje de un b loqu e co n c oh esión en los

c o n t a c t o s . W sen β W cos β R = Ca + W cos β tanΦ β

(21)

Para este caso para anclar el bloque de roca, el

numero de pernos que es necesario colocar estará

defino por la siguiente relación matemática:

 

 

 

 

  

  

 sen

 f  

tag 

 B

 A

c

tag 

 sen

 f  

 N 

. . 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.

(22)

Sostenim iento d e un blo qu e inestable anc lado al

tech o de roc a sólida.

W S

Roca sólida

Estratos de roca inestable = h

c

h s

(23)

El máximo peso que puede soportar un perno esta dado

por la siguiente expresión matemática:

  

.

.

.

.

 s

c

h

 F 

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

(24)

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

 F 

 N 

.

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.

(25)

La fuerza axial, F

 A

, que puede soportar la barra del

perno se calcula usando la siguiente relación

matemática:

F A = Fuerza axial

D = diametro del perno

σ A = resistencia especifica del acero

 A  A  D  F    .  4 . 2 

 

 

.

 D

.

L

.

 F 

 FT = fuerza de adherencia D = diametro del perno

(26)

La resistencia efectiva del perno estará dada por la

menor de las dos fuerzas F

 A

 o F

T

.

El perno-roca tiene una conexión c y un ángulo de

rozamiento

Φ, la tensión tangencial,

, que podra

generase

admitiendo

un

comportamiento

M o h r -   C o u l o m b  

.

 

 

 

c

tag 

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:

tg  

 

(27)

COLOCACION DE PERNOS EN MACIZOS ROCOSOS

INTENSAMENTE PLASTIFICADOS.

(28)

 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, K

a

, para calcular la fuerza axial que

actúa sobre la barra del perno y otra rigidez tangencial,

K

b

, para calcular la adherencia entre el perno y la roca.

(29)

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,    

 F   K  A

(30)

Sb

Fluencia

Ea

Rigidez tangencial y axial de un perno.

Deformación axial en el elemento Fuerza axial en el

(31)

Mediante la siguiente expresión matemática, se puede

calcular la rigidez axial K

a

.

 L

 D

 E 

 K 

a b

4

.

.

 

2

Donde: Ka = Rigidez axial

Eb = modulo de elasticidad de la barra de acero del perno D = Diametro del perno

(32)

Por otro lado, la rigidez tangencial K

b

 puede obtenerse

mediante ensayos a tracción in-situ sobre pernos

cortos.

 L

 K 

 F 

b

.

a

.

Donde:

F

T

 = Fuerza de adherencia del perno

U

a

 = Desplazamiento del perno hasta deslizar

L = Longitud del perno.

(33)

L A SIFICA CION DE L OS SISTEMAS DE A NCLA JE.

 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: Ad herencia y fricc ión .

(34)

MECANISMOS DE ANCLAJE Y TIPOS DE PERNOS

DE ROCA

(35)

Anclaje por

adherencia

Anclaje por

fricción

 Anclaje a base de resina.  Anclaje a base de cemento

 Anclaje con elevada presión

de contacto

 Anclaje con baja presión de

contacto

•Split-set •Swellex

(36)

PERNOS DE ROCA

INTRODUCCIÒN 

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.

(37)

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.

(38)

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.

(39)
(40)

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.

(41)

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:

(42)

PERNO DE A NCLA JE MECA NICO

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.

(43)

DESCRIPCION DE LOS PERNOS DE A NCL A J E

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.

(44)
(45)

El diámetro del taladro es crítico para el anclaje, se

recomienda diámetros de 35 a 38 mm.

Su uso se limita a rocas moderadamente duras a

duras, masivas, con bloques o estratificada, sin

presencia de agua. En rocas muy duras, fracturadas y

débiles no son recomendables, debido a que el anclaje

podría deslizarse bajo la acción de las cargas. En

rocas sometidas a altos esfuerzos tampoco es

recomendable.

(46)

Pierden su capacidad de anclaje por efecto de

vibraciones por voladura detrás de la placa, debido a

altas fuerzas de contacto, por lo que no se recomienda

utilizar en macizos rocosos cercanos a áreas de

voladura.

Solo pueden ser usados para reforzamiento temporal.

Si son utilizados para reforzamiento permanente, éstos

deben ser protegidos de la corrosión, si hay presencia

de agua y deben ser post-cementados con pasta de

cemento entre la varilla y la pared del taladro.

Proporcionan una tensión limitada que raramente

sobrepasan las 12 Tm .

(47)

Para este tipo de pernos de roca, para calcular la capacidad o Para este tipo de pernos de roca, para calcular la capacidad o fuerza de anclaje, se usa la siguiente expresión matemática: fuerza de anclaje, se usa la siguiente expresión matemática:

t t 

 F 

 F 

q

q

n

n

 P 

 P 

..

 

 

..

..

P = Fuerza de anclaje en Kg. P = Fuerza de anclaje en Kg. 

 = coeficiente de friccion entre la roca y = coeficiente de friccion entre la roca y

los dispositivos de expansion los dispositivos de expansion

q = capacidad de resistencia de la roca q = capacidad de resistencia de la roca del techo, en Kg/cm2

del techo, en Kg/cm2 F

Ftt = área que se expande el dispositivo = área que se expande el dispositivo n = numero de dispositivos de expansión n = numero de dispositivos de expansión

CA

(48)

Como este perno de roca tiene dispositivo de expansión y Como este perno de roca tiene dispositivo de expansión y otros accesorio como es la tuerca donde se ajusta para que otros accesorio como es la tuerca donde se ajusta para que se adhiera mas al macizo rocoso; para producir estos se adhiera mas al macizo rocoso; para producir estos momentos de ajustar dicho perno se hace mediante las momentos de ajustar dicho perno se hace mediante las siguientes expresiones matemáticas:

siguientes expresiones matemáticas:

 



22 22 1 1 2 2 2 2 3 3 1 1 3 3 2 2 1 1 2 2 1 1

tta

an

n

3

3

tta

an

n

2

2

 

 

 

 

 R

 R

ii

 R

 Rd 

 M 

 M 

 M 

 M 

 M 

 M 

              M

M = momen= momento total to total del del giro, giro, Kg/cmKg/cm M

M11 = momento primero que se pone el dispositivo en acción, Kg/cm. = momento primero que se pone el dispositivo en acción, Kg/cm. M2 = momento segundo para ajustar la

M2 = momento segundo para ajustar la placa de apoyo, Kg/cm.placa de apoyo, Kg/cm. R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg.

R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg. d = diámetro del perno, cm.

d = diámetro del perno, cm. d1 = diámetro del orificio, cm. d1 = diámetro del orificio, cm.

d2 = distancia del dispositivo de expansión en la

d2 = distancia del dispositivo de expansión en la rocaroca i = inclinación de la rosca del

i = inclinación de la rosca del pernoperno

entre la tuerca y el perno entre la tuerca y el perno

entre la tuerca y la placa de apoyo. entre la tuerca y la placa de apoyo.

MOMENTO TOTAL DE GIRO

MOMENTO TOTAL DE GIRO

1 = A

1 = Angulo de fricción ngulo de fricción 2 = A

(49)

La otra expresión matemática mas simplificada, para el La otra expresión matemática mas simplificada, para el momento

momento de de giro, giro, es es la sla siguiente:iguiente:

 

tta

an

n

2

2

..

tta

an

n

 

 



2

2

..

 R

 R

ii

 M 

 M 

Donde: Donde: M =

M = momento momento de tode torsión, rsión, Kg/cmKg/cm

R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg. R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg. d = diametro del perno,

d = diametro del perno, cm.cm.

i = inclinación de la rosca del perno, en promedio 2.5º i = inclinación de la rosca del perno, en promedio 2.5º

promedio 16º promedio 16º

MOM

MOM

ENTO DE GIRO.

ENTO DE GIRO.

  = Angulo de fricción entre la tuerca y la placa de apoyo, en   = Angulo de fricción entre la tuerca y la placa de apoyo, en

(50)

PERNO HEL ICOIDA L INYECTA DO CON RESINA O CEMENTO

Se trata de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo.

La fijación puede ser mediante cartuchos de resina, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando cemento en el taladro.

Este último sistema es el que ofrece mejores resultados, pero es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean generalmente cartuchos que, ofrecen un comportamiento suficientemente satisfactorio.

(51)

PERNOS DE ANCLAJE RESINA

1. Perforar un taladro de 1” a la profundidad

deseada

2. Insertar los cartuchos de resina, insertar un obturados

3. Empujar el perno a través de los cartuchos

6. Perno instalado 4. Girar el perno 5. Aplicar presión en la

(52)

Si el perno es activo es necesario inyectar sólo el perno de anclaje, lo que se consigue por medio de un obturador. Si se emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos en el fondo del taladro. La acción de soporte se produce cuando ya ha fraguado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocación.

 Algunas veces se inyecta también el fuste después de tensar el perno, con lo que se tiene un comportamiento híbrido activo-pasivo.

(53)

B A RRAS DE ACERO CORRUGADO CON RESINA O CEMENTO 

Consiste en una barra de acero, con un extremo

biselado, que es confinado dentro del taladro por medio

de cemento (en cartuchos o inyectados), resina (en

cartuchos) o resina y cemento.

El anclaje entre la varilla y la roca es proporcionado a lo

largo de la longitud completa del elemento de refuerzo,

por tres mecanismos: adhesión química, fricción y

fijación, siendo los dos últimos mecanismos los de mayor

importancia, puesto que la eficacia de estos pernos está

en función de la adherencia entre el fierro y la roca.

(54)

En presencia de agua, particularmente en agua ácida, el

agente cementante será la resina, en condiciones de

ausencia de agua será el cemento.

Dentro de este tipo de pernos, los de mayor utilización

en el país son:

La

varilla de fierro corrugado

, generalmente de 20

mm de diámetro (convencional).

La capacidad portante es 12 Tm.,

 y

La

barra helicoidal

  de 22 mm de diámetro, con

longitudes variables (de 5' a 12') (ultima tecnología). La

capacidad portante superan las18 Tm.

(55)
(56)
(57)

Los componentes principales son los siguientes:

+ Catalizador Resina poliéster, 28.5%

Sellador (caliza triturada), 66%  Acelerador, 0.5%

Resistencia a la compresiòn uniaxial 1,120 Kg/cm2 Resistencia a la tensión 630 Kg/cm2

Resistencia al corte 525 Kg/cm2

Este perno de roca, tiene las siguientes propiedades físicas:

(58)
(59)

Para calcular la capacidad o resistencia a la carga de un perno con resina, se hace mediante la siguiente relación matemática:

 A

 R

màx

 

a

.

 

.

.

d  U  d   A . 4 . 2      

a

 

 

0

.

25

Rmàx  = capacidad de apoyo del perno, Kg.

σa  = resistencia en el limite elástico (punto de fluencia) del acero del perno, Kg/cm2.

 A = área de perno, cm2

d = diametro del perno, cm.

  = adherencia entre la  resina y el

perno, Kg/cm2.

U = circunferencia del perno, cm.

(60)

INSTA LA CION DE UN PERNO DE A CERO CON

(61)

INSTALACION DE UN PERNO CORRUGADO CON CARTUCHOS DE CEMENTO, RESINA O AMBOS

(62)

Es una marca comercial de anclajes y pernos, fabricado con acero de mayor resistencia en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es más costos y por ende menos usado.

(63)

El principio de funcionamiento es similar a los pernos esféricos, se utiliza cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser inyectado necesariamente. Es de utilidad en túneles de gálibo escaso en los que es necesario instalar pernos muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad, también en explotaciones mineras en corte y relleno ascendente mecanizado.

(64)

Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND.

Está constituido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducir en un taladro de diámetro inferior ejerce una fuerza radial sobre la roca haciendo que el perno quede fijado por rozamiento. Es de fácil colocación, pero tiene el inconveniente de ser muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. En macizos rocoso de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo.

(65)

SPLIT-SET

Placa de reparto Tubo ranurado Extremo abocardado Sección inicial del bulón

(66)
(67)

Los split sets, conjuntamente con los swellex,

representan el más reciente desarrollo de técnicas de

reforzamiento de roca, ambos trabajan por fricción

(resistencia al deslizamiento) a lo largo de toda la

longitud del taladro. Aunque los dos trabajan con el

mismo principio, tienen diferentes mecanismos de

sostenimiento.

La desventaja del Split Set es su capacidad de anclaje

que en el mejor de los casos llega las 11 Toneladas para

un perno de 6 pies 

.

(68)

El diámetro de los tubos ranurados varía de 35 a 46

mm, con longitudes de 5 a 12 pies. Pueden alcanzar

valores de anclaje de 1 a 1.5 toneladas por pie de

longitud del perno , dependiendo principalmente del

diámetro de la perforación efectuada, la longitud de la

zona del anclaje y el tipo de la roca.

Las siguientes consideraciones son importantes para

su utilización:

(69)
(70)

Los split sets son apropiados para refuerzo temporal,

conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y débil no es recomendable su uso.

Proporciona una acción de refuerzo inmediato después de

su instalación.

El diámetro del taladro recomendado para los split sets

de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes es deficiente el anclaje y con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos.

Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a

menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los split sets son relativamente costosos.

(71)
(72)

Swellex es una marca comercial de ATLAS-COPCO. Es un perno con orificio (hueco), que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presión en su interior. Al expandirse rellena todo el taladro y presiona contra las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria para producir su expansión.

Existen en el mercado varios tipos de pernos Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para macizos rocoso expansivos o fluyentes.

(73)
(74)

PERNOS SWE L L EX - DESCRIPCION 

También es un perno de anclaje por fricción, pero en

este caso la resistencia friccional al deslizamiento se

combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de

anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual

funciona como un anclaje repartido.

Los pernos swellex existen dos tipos:

Estándar swellex y Súper swellex

(75)

ESTÁNDAR SWELLEX

Estos pernos con chapa de 2mm de espesor y diametro de 25.5 mm; deben colocarse en taladros cuyo diametro este comprendido entre 32 y 43 mm.

Los Yielding Standard swellex resisten una fuerza axial aproximada de 8 Tm .

SUPER SWELLEX

Tiene un grosor de chapa de 3mm y un diametro de 36mm. Están preparados para ser colocados en taladros cuyo diametro esta comprendido entre 39 y 52 mm.

Los Yielding Súper Swellex resisten una fuerza axial aproximada de 19 Tm.

(76)
(77)

DETERMINA CION D E L ONGITUD DE PERNOS

Según los investigadores, la longitud () de los pernos debera tenerse en cuenta el macizo rocoso, por ejemplo:

 L

2 1 

 L

3 1 

Para techo de macizos rocosos competentes

Para techo de macizos rocosos débiles

m

1

Para techo de macizos rocosos muy competentes Para  = 1m como minimo

(78)

ESPA CIAM IENTO ENTRE LO S PERNOS

El espaciamiento de los pernos de roca esta relacionado con la longitud de los mismos. Algunos investigadores como

Coates y Coc hrane , el espaciamiento deberá ser calculado

mediante la siguiente expresión matemática:

 L

b

.

9

2

.

3

2

 

2

b

 R

máx

màx

Donde:

b = espaciamiento de los pernos, m. L = anchura de la excavación, m.

 = longitud del perno, m

Rmax = capacidad máxima de soporte de carga del perno, fuerza resultante en el limite elástico, Tm/m3.

(79)

DIA METRO DE L OS PERNOS.

Cuando se selecciona un tipo de perno de roca, para una determinada labor subterránea, se debe tener en cuenta el diametro en función a la resistencia del acero; para lo cual se calcula mediante la siguiente expresión matemática:

 A

 R

màx

 

a. n d  n  R  R màx  a 2 785 . 0   Donde:

Rmax= capacidad portante máxima del perno (en tensión), Kg.

R = fuerza axial del perno, Kg.

n = factor de seguridad, promedio de 2 a 4.

σa = esfuerzo en el limite elástico (punto cedente) del acero, Kg/cm2.

F = área del perno, cm2.

(80)

Los pernos deberán soportar la carga del techo, el numero de pernos se obtiene mediante la siguiente relación matemática:

 

.

.

.

.

 R

 L

h

c

m

2

.

785

.

0

.

.

.

.

.

.

.

n

c

h

 L

 R

c

h

 L

m

a

 

 

 

(81)

L = 3m Techo inmediato (próximo) Techo principal λ = 1.75m Sección b = 1 m b = 1 m

(82)

Planta

c = 1m

h

Diseño de los pernos de anclaje

(83)

DETERMINA CION DE L A ADHERENCIA DEL

ANCLAJE.

La tensión de la adherencia que puede alcanzar el perno en el macizo rocoso resulta imprescindible; es por ello que es importante realizar ensayos in-situ antes de elegir un sistema de sostenimiento con pernos de roca.

 

 

.

4

.

 D

 L

A

Mediante la siguiente expresión matemática, se puede calcular la longitud de los pernos a usarse.

Donde:

L = Longitud anclada del perno

σA

 = Resistencia especifica del acero

D = Diametro del pernos

(84)

CAPACIDAD DE REFUERZO DE UN PERNO CEMENTADO P = Rc x A = A = U = = 0.25 . Rc . d/L

P = Capacidad de apoyo del perno ( Kg)

Rc = Resistencia a la tracción mínima del perno = 6330 Kg/cm

2

A = Área del perno (cm

2

)

d = Diámetro del perno (cm)

= Adherencia entre el perno y el cemento (Kg/cm

2

)

U = Circunferencia del perno (cm)

L = Longitud del perno (cm)

Donde:

 x U x L  . d2 /4

(85)

= 1.89 MPa.

A =

3.8 cm

2

U =

6.91 cm

P =

P = 24060 Kg = 24 ton ( 234.6 KN )

CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO

CEMENTADO

Datos: Perno helicoidal de 7/8

 x 1.80m

( d =2.2 cm, r = 1.1 cm, L = 180 cm)

 = 0.25 x Rc x d / L

 = 0.25 ( 6330 Kg/cm

2

)( 2.2cm ) / (180cm)

 = 19.34 Kg/cm

2

 x r

2

 = 3.1415 ( 1.1 cm )

2

=

x d = 3.1415 ( 2.2 cm ) =

 x U x L = (19.34 Kg/cm

2

)(6.91 cm)(180cm )

(86)

ESPACIAMIENTO DE LOS ELEMENTOS

1.5 terreno regular

2.0 terreno malo

L = longitud del perno,

E = espaciamiento de los pernos

Ejemplo:

Perno de 2.25m (L)

2,25/ E = 2.0

Espaciamiento de 1.1m (E)

(87)

TIPO DE PERNO

RESISTENCIA

Barra De Construcción 3/4

= 18 ton (176 KN)

Barra Helicoidal 7/8

= 24 ton (235 KN)

Barra De Construcción 1”

= 32 ton (313 KN)

CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN

PERNO CEMENTADO

(88)

FACTOR DE SEGURIDAD

P = Capacidad de apoyo del perno (ton)

T = Peso del bloque muerto (ton)

FS = Factor de Seguridad

FS 

 = P/T

FS 

 < 1 desfavorable

(89)

Perno de L = 1.8m,

= 7/8”

capacidad de apoyo de 24 ton

FS = 24 ton /5.83 ton = 4.12

Perno de L = 1.8m,

= 3/4”

capacidad con apoyo de 18 ton

FS = 17.9 ton /5.83 ton = 3.08

Perno de L = 2.0m,

= 1”

capacidad de apoyo de 32 ton

FS = 32 ton /5.83 ton = 5.49

(90)

ASTM A615-89

GRADO 60

400 MPa

FLUENCIA

RUPTURA

MODULO DE YOUNG

Kg / mm²

Psi

Kg / mm²

Psi

N / mm2

42.2

58,016

63.3

78,321

40,000

Diámetro Sección

Peso

Fluencia

Ruptura

nominal

mm (“)

mm

2

Kg/M

kN

kN

  19.1

(3/4”)

284

2.235

113.5

153.2

  22.0

(7/8”)

389

2.98

157

211.9

  25.4

(91)

L = 1,4 + 0.18 x W

L = longitud del perno (m)

W= ancho de la abertura (m)

Ejemplo: Galería de 3.5 metros (W)

L = 1,4 + 0.18 x 3,5 =

Longitud del perno 2.03m (L)

LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO

RESPECTO AL ANCHO DE LA ABERTURA

(92)
(93)
(94)
(95)

SOSTENIMIENTO MECANIZADO EN LABORES DE DESARROLLO

SOSTENIMIENTO MECANIZADO EN LABORES DE DESARROLLO

DE LOS METODOS MASIVOS DE MINADO

DE LOS METODOS MASIVOS DE MINADO

COLOCA

COLOCACION DE CION DE PERNOPERNO

 Y MALLA

(96)

SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ANCLAJE

(97)
(98)

CONTROL DE CALIDAD DE INSTALACIÓN DE SOSTENIMIENTO • CONTROL DE CALIDAD PARA SPLIT SET: Esta prueba se llama “Prueba de

 Arranque” y se realiza con un equipo denominado “Pull Tets”. El split set debe de soportar como mínimo 0.85 Tn/Pie de perno. Esta prueba consiste en tratar de arrancar el perno con el pull test, tal como se observa abajo.

Figure

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Referencias