Geotencia de Macizos Rocosos Prof. Ludger Suárez-Burgoa Postgrado en Ingeniería - Geotecnia Facultad de Minas , Universidad Nacional de Colombia, Medellín

Tema 7.1 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Generalidades

Definición El campo de tensores de esfuerzos naturales (CTEN) se refiere a un volumen de masa continua delimitada en la corteza terrestre, donde en cada punto infinitesimal se tiene un tensor de esfuerzos cargado por acciones provenientes de la naturaleza y actividad actual de la corteza terrestre

Dos formas matemáticas de representar el tensor de esfuerzos

Representación gráfica en el espacio de un tensor

Representación del tensor de esfuerzos en el espacio Haigh-Weestergaard

El Tensor de Esfuerzos Naturales

Campo de Tensores de Esfuerzos Naturales

Términos referentes a tensores Esfuerzo tectónico Esfuerzo gravitacional Esfuerzo natural Esfuerzo regional Esfuerzo lejano Esfuerzo local (esfuerzo próximo) Esfuerzo inducido Esfuerzo residual Esfuerzo térmico Paleo-esfuerzo

Trayectoria de “esfuerzos”

Tema 7.2 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Estimación bajo la teoría de la eslasticidad

Condición Goestática

Condición Geoestática 1

Condición Geoestática 2

Condición Geoestática + Condición Tectónica

Tema 7.3 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Estimaciones a escalas regionales

Mapa de Esfuerzos

Téctónica de Placas

Relación de Forma

Relación de Forma como estimador del Régimen Tectónico

Tema 7.4 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Factores que modifican un estado regional de esfuerzos

Fallas y zonas de falla

Valles

Heterogeneidad del Macizo Rocoso

Estructuras Geológicas

Estructuras Geológicas

Tema 7.5 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Estimaciones a escalas locales

Métodos Heurísticos Se obtiene información de la Intensidad del Campo de Tensores A partir de diferenciar la condición geológica del sitio: Condición Tectónica: Interplaca o Intraplaca Condición geodinámica y geofísica (si se está dentro de plataformas o cratones) Condición de régimen de una falla cercana (compresiva, distensiva o de desplazamiento) Tipo de respuesta mecánica del macizo rocoso (frágil o dúctil)

Correlaciones Empíricas

Correlaciones Empíricas

Ecuaciones teóricas

Ecuaciones teóricas

Método integrado Define un volumen determinado Usa medidas puntuales Sobre-perforación Fracturamiento Hiráulico Ensayo Hidráulico com Fracturas Pre-existentes Se hace un proceso de inversión de datos

Tema 7.6 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Estimación puntual del tensor de esfuerzos naturales

Métodos a escalas puntuales Método del Gato plano (FJT: Flat Jack Test) Rectangular (“Pillow” Flat Jack) Grande (Small Flat Jack) Pequeño (Large Flat Jack) Método de la fractura hidráulica Fractura hidráulica, propiamente dicho(HTF: Hydraulic Fracturing Test) Fractura hidráulica con fracturas pre-existentes Métodos de Alivio (relief methods) De perforación repasada (sobre-perforación) con medida en la pared Diferentes sondas: USBM (USA), Borre (Noruega) De perforación repasada (sobre-perforación) con medida en la base Diferentes sondas: CSIR (South África) Método del Efecto Kaiser

Método de Perforación Repasada con celda Borre (SSPB) Decoración Vikinga Sección transversal de la celda

Tema 7.7 CAMPO DE TENSORES DE ESFUERZOS NATURALES: Estrategia sugerida por la ISRM

Procedimiento Sugerido Use información pre-existente del estado de esfuerzos de la roca en el sitio Considere que la dirección vertical es una dirección de esfuerzo principal (a partir de evidencias topográficas, geológicas u otra información)

Procedimiento Sugerido Estime la magnitud del componente de esfuerzo vertical (de la densidad de la roca y la profundidad de sobre-carga) Considere indicativos de la dirección del esfuerzo principal y el valor de la relación de éste con los demás esfuerzos (de soluciones focales planas o anisotropía de las ondas de corte sísmicas)

Procedimiento Sugerido Establezca la orientación del esfuerzo principal mínimo (sea esfuerzo horizontal mínimo o esfuerzo horizontal actual ) a partir de las fracturas inducidas por perforación o presión hidráulica y por las orientaciones de rotura de los hoyos de perforación Encuentre los componentes del tensor de esfuerzos usando métodos indirectos en los testigos de las perforaciones

Procedimiento Sugerido Establezca el estado de esfuerzos completo en uno o más puntos por ensayos de sobre-perforación Establezca el esfuerzo principal mínimo (por ensayos en hoyos de perforación de fracturación hidráulica) Establézcala magnitud del esfuerzo principal máximo (por ensayos en hoyos de perforación de fracturación hidráulica y por análisis de fallas en los hoyos de perforación) Establezca el estado de esfuerzos completo en uno o más puntos (por ensayos hidráulicos de fracturas pre-existentes, HTPF)

Procedimiento Sugerido Establezca la variación del estado de esfuerzos en todo el sitio debido a diferentes estratos geológicos (a través de análisis numéricos y mayores medidas)

Procedimiento Sugerido La extensión en que estas recomendaciones puedan incorporarse en el sitio de investigación dependerá de: El objetivo La practicidad de su implementación De los recursos disponibles

Conclusiones El estado de esfuerzos influye notablemente en cualquier problema. El propósito de la estimación de esfuerzos es el de entender el estado de esfuerzos y su variabilidad en una región.

Conclusiones Las medidas de campo para establecer el estado de esfuerzos en una región pueden proveer información valiosa que no es posible de otra manera. El estimar los esfuerzos puede ser de gran ayuda para planificar una estructura en o por encima de la masa rocosa, sea o no que los esfuerzos horizontales excedan o no a los esfuerzos verticales gravitacionales.

Conclusiones La determinación de esfuerzos en la roca seguirá siendo el tema de mayor interés en la mecánica de rocas. Es importante estar alertas y abordar el tema en un modo coherente y práctico.