Resumen Clase Mec Rocas - UPTC

8/17/2019 Resumen Clase Mec Rocas - UPTC

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MECÁNICA DE ROCAS APLICADA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA VIAL

Profesor: Julián Chaves Agudelo. I.C., M.I.-Geotecnia.

CONTENIDO DEL CURSO

1. Introducción a la Mecánica de Rocas Aplicada (Ingeniería de Rocas).

2. Fundaciones en roca.

3. Estabilidad de taludes en roca.

4. Excavaciones subterráneas.

5. Construcción de túneles viales.


Investigación del subsuelo Comportamiento de las rocas


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GEOTECNIA

Mecánica de las Rocas

Mecánica del Suelo

REQUISITOS DEL PROYECTO (GEOTÉCNICO):

1) Asegurar laestabilidad

2) Conseguir que las deformaciones o movimientossean aceptables


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PILARES DE LA GEOTECNIA

Relación entre la geología y la geotecnia

La geología estudia, entre tantas cosas, las característicasfundamentales de los materiales rocosos: litología, naturaleza,origen y disposición en la corteza terrestre y la geotecnia estudia,entre otros aspectos, el comportamiento de las rocas y los suelosrespecto a su interacción con la infraestructura civil.

La relación entre estos dos campos radica en que conociendoadecuadamente el comportamiento geológico de los materiales selogran diseños geotécnicos y civiles acordes y eficientes.


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PRIMER PARADIGMA: Ley de resistencia al esfuerzo cortante de Coulomb. C.A.Coulomb (Angoulême 1736-Paris 1806)

Charles Augustin Coulomb

Ingeniero del Rey (Louis XIV)El fuerte Bourbon durante su construcción, 1771. Isla de Martinica

SEGUNDO PARADIGMA. Ley de la tensión efectiva de Terzaghi. Karl von

Terzaghi (Praga, 1883 - Winchester, 1963)

Terzaghi en 1926. (Casagrande, 1960)

Terzaghi, 1948:

“ In 1936 Soil Mechanics had created what may

be termed an ideal model of soil behaviour and

had given the engineer a set of theoretical

concepts which covered all important aspects of

soil behaviour…”

“ The days in which significant discoveries

could be made in the laboratory or in the

working desk seem to have gone for ever ”

Terzaghi en 1958.

(Casagrande, 1960)


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TERCER PARADIGMA: El estado crítico (CambridgeUniversity, 1958-1968)

Portada de los libros de Lambe y Whitman (1968) y de Schofield y Wroth (1968)

Una visión del progreso en Geotecnia


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ELEMENTOS DE UN PROBLEMA TÍPICODE INGENIERÍA GEOTECNICA

Es evidente que laingeniería geotécnicaes una mezcla deingredientes teóricos,experimentales yempíricos.

INTRODUCCIÓN A LA


(INGENIERÍA DE ROCAS)

http://www.youtube.com/watch?v=ocK9oxy8LBQ

http://www.youtube.com/watch?v=ocK9oxy8LBQhttp://www.youtube.com/watch?v=ocK9oxy8LBQhttp://www.youtube.com/watch?v=ocK9oxy8LBQ


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La importancia de la geología en la Mecánica deRocas Aplicada (Ingeniería de Rocas)

Para evaluar elcomportamiento de lasrocas como materialingenieril, ciertaspropiedades deben serdeterminadas para:

- El material rocoso(roca intacta),

- Las discontinuidades,

- El macizo rocoso.


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Unidades geocronológicas (cronoestratigráficas) mayores


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Diagrama esquemático que muestra la topografía del segmento centralde la cordillera oriental, sobre la cual se han interpretado las principalesfallas activas y, en la sección O-E, la geometría de las fallas y lasismicidad registrada por la Red Sismológica Nacional de Colombia.


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La naturaleza de la roca intacta y el macizo rocoso


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Interaccionesen la Mecánicade Rocas

Rocas Blandas

Alta Degradabilidad – Baja Durabilidad


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Principios de la Mecánica de Rocas

Deformabilidad, resistencia y falla de la roca intacta

Principios de la Mecánica de RocasDiscontinuidades


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La naturaleza de la roca intacta y el macizo rocoso

DISCONTINUIDADES- Afectan las propiedades mecánicas e hidráulicas de las rocas

- Uso de métodos estadísticos

Principios de la Mecánica de RocasDiscontinuidades


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Proyección estereográfica

Principios de la Mecánica de RocasProyección estereográfica


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Esfuerzos naturales e inducidos


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Esfuerzosnaturales einducidos




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Deformabilidad, resistencia y falla de macizos rocosos


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Deformabilidad, resistencia y falla de macizos rocosos

Profundidad y estabilidad:

Dos tipos comunes de falla:

- Falla de bloque.

- Fisuramiento y astillamiento delas rocas por altos niveles deesfuerzos.


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Permeabilidad de las rocas

Flujo en régimen laminar vs. Flujo en régimen turbulento

Principios de la Mecánica de RocasAnisotropía


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Heterogeneidad

Principios de la Mecánica de RocasVolumen elemental representativo


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Métodos de análisis en medios continuos y discontinuos

Principios dela Mecánica deRocas

Interacciones en laIngeniería de rocas


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En geotecnia

Requiere ingenio debido alcomportamiento variable del suelo.

Las propiedades del subsuelo no sontotalmente conocidos.

En estructuras

Se definen propiedades de los materiales.

Introducción al Comportamiento delos Suelos y Rocas

Problemas en geotecnia

0. Densidad Peso Unitario ,

1. Rotura o falla Resistencia,

2. Deformaciones Rigidez, E

3. Flujo (fluidos) Permeabilidad, K


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Los suelos son materiales de 3 fases

Compresibilidad

Resistencia

La resistencia es: - Altamente dependiente del nivel de esfuerzos.- De naturaleza friccional.- En función del contenido de humedad.

Los suelos tiene un comportamiento más complejo al ser una mezcla

de partículas de suelo y agua.

T = N · µ = N· tanϕ = · tanϕ

Componentes de resistencia


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El agua tiene una resistencia despreciabley sus propiedades no se afectan por elincremento de la presión ; por tanto, nocontribuye a la resistencia total del suelo

Un aumento de la presión incrementa la resistencia sí:

D y Dm

D y Dm

Esfuerzos efectivos D’ = D - Dm

0

0

Resistencia y el principio de esfuerzos efectivos


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“DILATANCIA”: Cuando el suelo se

somete a un nivel de esfuerzosefectivos bajo, los granos tienden amoverse uno sobre el otro,adoptando un empaquetamientocada vez más suelto y reduciendosu resistencia al corte conincrementos de la deformación.

En un material elasto-plástico:

No se puede esperar el desarrollo completo de la resistencia pico bajo la

superficie entera debido a la movilización diferencial de la resistencia a lolargo de la superficie de falla (FALLA PROGRESIVA).

Ablandamiento por deformación o fragilidad. En campo se evidenciacon planos de falla y GRIETAS!!.

FALLA PROGRESIVA FS = 2 o 3, con respecto a la Resistencia Pico.

Criterios de falla por resistencia al corte




Julián Chaves Agudelo. I.C., M.I.-Geotecnia.


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CONTENIDO DEL CURSO


2. Ingeniería de cimentaciones en roca.







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EL MEDIO SOPORTANTE Y ASPECTOS ASOCIADOS

1. Tipo de suelo ResidualTransportado

Y de Rocas Ígneas, Metamórficas, Sedimentarias

2. Ausencia de conocimiento:

- Falla de las obras.

- Aumento apreciable de los costos.

- Pérdida de vidas y bienes.

Conocimiento geológico-geotécnico

apropiado acerca del medio dondese cimentarán las obras civiles(ej. sismicidad).

- Características de los suelos y rocas.

- Comportamiento de los suelos y rocas.

- Normatividad vigente.

El estudio de la geología (litología y estructuras) y de los procesosgeomorfológicos (relieve y modelados) son un aspecto CLAVE para lacomprensión acertada del comportamiento de los suelos y rocas.

En los suelos:

- Arcillas Expansivas: procesos de expansión-retracción.

- Limos colapsables: de baja resistencia.

- Arenas y gravas limpias: baja densidad, uniformes.

En las rocas:

- Grado de fracturamiento del macizo rocoso,

- Disposición geométrica,

- Características particulares (ej.: baja durabilidad),

- Influencia del agua, otros.

COMPORTAMIENTOS ESPECIALES


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CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LOS SUELOS

(MODELO GEOLÓGICO- GEOTÉCNICO)

Claridad de las condiciones físico-mecánicas con las que sediseñarán los sistemas geotécnicos (cimentaciones,estructuras de contención, etc.).

Base fundamental para el desarrollo del análisis de ingeniería.

Imprescindible en los análisis de Ingeniería de Cimentaciones:

CARACTERIZACIÓN

GEOTÉCNICA

CONOCIMIENTO

GEOLÓGICO

EXPERIENCIA Y JUICIOCRÍTICO DEL

GEOTECNISTA

+ +

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LOS SUELOS(MODELO GEOLÓGICO- GEOTÉCNICO)

Otros aspectos importantes por considerar en el diseño:

- Calidad y representatividad de las muestras y ensayos.

- Procesos de carga o descarga o ambos.

- Condición drenada – no drenada.

- El sistema de cimentación: congruente con las características del medio

soportante y sus requerimientos asociados.

Surgen dudas acerca de los métodos de análisis a

emplear, sobre todo en los de carácter empírico.


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ESTADOS LÍMITE

Se define como estado límite aquella etapa del comportamientogeomecánico a partir de la cual la cimentación o parte de ella deja decumplir con alguna función para lo cual fue proyectada. En el diseñode toda cimentación se consideran los siguientes estados límites:

1. De falla- Capacidad de soporte del suelo.

- Falla estructural de los elementos

de la cimentación.

2. De servicio

- Asentamiento.- Inclinación parcial.- Deformación diferencial.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

INTERACCIÓN

SUELO-ESTRUCTURA

1. Estado límite de falla:

La comprobación de una cimentación ante estados límite defalla consiste en comparar su capacidad de carga con lascorrespondientes acciones de diseño.

2. Estado límite de servicio:

Comparación de los asentamientos, inclinaciones ydeformaciones diferenciales máximos admisibles con losvalores calculados.

Los valores resultantes deben ser tales que no causen dañosintolerables a la propia cimentación, a la superestructura y susinstalaciones, a los elementos no estructurales y acabados, alas construcciones vecinas, ni a los servicios públicos.

ESTADOS LÍMITE


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Estados límites Capacidad Portante

Deformaciones

Fundamental enMecánica de Suelos

1. Falla al corte Distorsión excesiva Cálculo de laresistencia movilizada.

2. Desplazamientos excesivos Esfuerzos altos inaceptablecomo resultado demovimientos diferenciales

Predicción dedesplazamientos

Estados Límites


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1. CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO.

2. INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO.

3. PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS DE CIMENTACIÓN.

4. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE CIMENTACIÓN.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

INFORMACIÓN BÁSICA QUE DEBE CONTENERUN ESTUDIO DE SUELOS Y CIMENTACIONES


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Capacidad portante en sistemas decimentación superficiales





CONCEPTO DE EQUILIBRIO LÍMITE

LÍMITE INFERIOREstados estáticamente admisibles

LÍMITE SUPERIOREstados cinemáticamente posibles


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LÍMITE INFERIOREstados estáticamente admisibles

«Si existe un estado estáticamente admisible yseguro de esfuerzos para una condición de cargadada, no se presentará la falla bajo estas cargas».

Un estado estáticamente admisible y seguro esaquel en el cual la distribución de esfuerzossatisface las condiciones de equilibrio bajo lascargas dadas.

Muchas soluciones…

LÍMITE SUPERIOREstados cinemáticamente posibles

«Si se puede encontrar un estado cinemáticamenteposible de falla bajo cualquier condición de carga, lafalla debe ser inminente o ya ha ocurrido».

En un estado cinemáticamente posible, la velocidadde desplazamiento es tal que la tasa de trabajorealizado por las cargas y fuerzas másicas es igual ala tasa de energía disipada por los esfuerzos.


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EL MÉTODO DEL EQUILIBRIO LÍMITE


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1. FN = m * g * cos b

2. FT = m * g * sen b Fuerza requerida

3. Ff = m * g * cos b * tan f Fuerza disponible

MAX= f


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Ecuación general de capacidad portante


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Factores de Capacidad de Carga

ECUACIÓN GENERAL DE LA CAPACIDAD PORTANTE


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CAPACIDAD PORTANTE DE CIMENTA-CIONES SUPERFICIALES EN ROCAS


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Método analítico deSerrano y Olalla

(2001)

En aquellos casos enlos que el mediorocoso eshomogéneo eisotrópico; es decir,los grupos I, IV y V deHoek y Brown, cuyocomportamientosigue el criterio derotura de estos

autores.Representación simplificada de la influencia de la escala en elcomportamiento del macizo rocoso para el diseño de cimentacionessuperficiales.

CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN ROCA

Definición geométrica empleada en la determinación de las presionesadmisibles en roca por métodos analíticos simplificados.

La definición geométricaempleada es:


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Valores del coeficiente de carga de hundimiento N ᵦ en función de la cargaexterior normalizada y del ángulo de inclinación de las cargas (superficie del

terreno horizontal

= 0°).

Coeficientes de seguridad parcial. F ρ, para una probabilidad de rotura< 10-4 (Serrano y Olalla, 1996).


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INCREMENTO DE ESFUERZOS

Área rectangular concarga uniforme:


Área rectangular con cargauniforme:


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Área rectangular con carga uniforme


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Método 2:1:


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Asentamientos





ASENTAMIENTOSINMEDIATOS


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Fundaciones rígidas vs. Fundaciones flexibles


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CONTENIDO DEL CURSO





5. Diseño y construcción de túneles viales.




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LA ESTABILIDAD DE TALUDES ENCOLOMBIA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICAY TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA - MAESTRÍA EN GEOTECNIA

CURSO DE ESTABILIDAD DE TALUDES

Profesor: Manuel García López. I.C., MSCE.

Lista abreviada de factores que pueden causar deslizamientos

Factores naturales que puedan llevar a producir deslizamientos

1- Condiciones del terreno

2- Procesos geomorfológicos

3- Procesos físicos

4- Actividades del hombre


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kBaja Alta


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• Publicaciones periódicas, textos de cursos especiales, memorias de congresos, jornadas, simposios y seminarios organizadospor: Sociedad Colombiana de Geotecnia, Sociedad Colombiana de Ingenieros, American Society of Civil Engineers,International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Internacional Society for Rock Mechanics.International Association for Engineering Geology and the Environment, Institution of Civil Engineers, Japanese GeotechnicalSociety.


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TRATAMIENTO DE TALUDES ROCOSOS

MALLAS Y BARRERAS METÁLICAS CONTRA CAÍDA DE ROCAS


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TÚNELES FALSOS



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Sector K 49 – 50, carretera Bogotá – Villavicencio, construcción de Túnel Falso


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DESCARGA MANUAL DE BLOQUES ROCOSOS


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RECALCES Y MACHONES


Carretera Toledo – Saravena,

Sector de Cedeño

Orvieto, Italia.


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PERNOS Y ANCLAJES



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Estabilidad cinemáticade taludes rocosos





El Ciclo de las Rocas


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GEOMETRÍA INTERNA DELMACIZO ROCOSO

Planos de discontinuidades

1. Congénitos- Estratigráficos

- Foliación

- Foliación

2. Dinámica de la corteza terrestre - Diaclasas

- Fallas geológicas- Discordancias-Diques

Estabilidad Cinemática de Taludes Rocosos


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Estabilidad Cinemática de Taludes RocososProyección estereográfica


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Se debe conformar un área de zonificacióncon variación tangencial de +/- 20° del

azimut de buzamiento de la discontinuidad.

Tener en cuenta que la condicióncinemática puede ocurrir en taludes conbuzamiento mayores al de ladiscontinuidad.




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Se debe conformar un área de zonificación con variación de la dirección debuzamiento de la discontinuidad de +/- 35° cuando la discontinuidad tienebuzamiento mayor de 60° y los taludes tengan buzamientos mayores o iguales a 65°.


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Discontinuidad bEstratificación - E 61 30Diaclasas 1 – D1 24 77Diaclasas 2 – D2 318 30Talud - T 175 43

ESTABILIDAD CINEMÁTICA DE TALUDES


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CONDICIONES CINEMÁTICAS Y MECÁNICAS

1- FALLA PLANAR : Si Bt>Bi>f

2- FALLA POR CUÑA: Si Bt>Bd>f

3- FALLA POR VOLCAMIENTO: Si Bt>=65°

ESTABILIDAD CINEMÁTICA DE TALUDES

Estabilidad Cinemática de Taludes RocososProyección estereográfica


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Discontinuidad b p bp Estratificación - E 61 30Diaclasas 1 – D1 24 77Diaclasas 2 – D2 318 30Talud - T 175 43Cuña D1 – D2Cuña E – D1Cuña E – D2

EJERCICIO DE ESTABILIDAD CINEMÁTICADE TALUDES

CONTENIDO DEL CURSO









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Excavaciones subterráneas

Influencia de las dimensiones de la excavación en la estabilidad:


- Falla de bloque.

- Astillamiento y convergenciade las rocas por altos nivelesde esfuerzos.

Influencia de la profundidadde la excavación en laestabilidad:



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Falla por condiciones estructurales:

Influencia de las condiciones geológicas:



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CONDICIONES CINEMÁTICAS Y MECÁNICAS

1. Falla del techo de la excavación.

2. Falla de los distales o de las paredes de lasexcavación.

ESTABILIDAD CINEMÁTICA DEEXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS




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Construcción con laproyección estereográficapara determinar la forma y

el volumen de una cuñaque se localizaestructuralmente en eltecho de un túnel.

1. Falla del techode la excavación.


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Construcción con laproyección estereográficade la vista en planta ydeterminación de la altura

de una cuña donde seproduce un debilitamientocomo resultado de unmovimiento a lo largo dela línea de intersección delos planos A y B.



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2. Falla de lasparedes de laexcavación.

2. Falla de las paredesde la excavación.

Construcción con laproyecciónestereográfica de unavista en verdadera

magnitud de una cuñaen la pared de untúnel.


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CONTENIDO DEL CURSO





5. Diseño de túneles viales.



EXCAVACIÓN Y SOPORTEEtapas de unproyecto de túnel:


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Influencia de las dimensiones de la excavación en la estabilidad:


- Falla de bloque.

- Astillamiento y convergenciade las rocas por altos nivelesde esfuerzos.

Influencia de la profundidadde la excavación en laestabilidad:



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Falla por esfuerzos en excavaciones profundas:


Falla por esfuerzos enexcavaciones profundas:


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Excavaciones subterráneasFalla por esfuerzos enexcavaciones profundas:

EXCAVACIÓN Y SOPORTE


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Curva de respuesta del terreno:

EXCAVACIÓN Y SOPORTECurva de respuesta del terreno:


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Refuerzo del macizo rocoso:

EXCAVACIÓN Y SOPORTESoporte del macizo rocoso:

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Resumen Clase Mec Rocas - UPTC