Approfondissement de notions de mécanique des roches: Confrontation de modèles mécaniques et géologiques à la réalité d’un chantier du creusement d’un tunnel dans un massif rocheux fracturé

Abstract

L’objectiu principal d’aquest treball final de carrera es la modelització del túnel de Saint‐Béat a la regió Midi‐Pyrénées. Per realitzar aquest treball he hagut de documentar‐me sobre mecànica de roques, elements finits i discrets i sobre els estudis realitzats a la zona de Saint‐Béat, per aquest motiu aquest treball es divideix en tres blocs principals: el primer tracta sobre la mecànica de roques, el segon sobre els elements finits i discrets i l’últim sobre l’aplicació de la modelització en un exemple real de túnel. Aquesta modelització s’ha realitzat mitjançant el paquet de programari ANSYS©. A l’apartat sobre mecànica de roques es realitza una anàlisi general sobre la geologia estructural aplicada a l’enginyeria del terreny. Bàsicament es tracta de determinar, per una banda les diferents discontinuïtats que s’observen en el terreny ja siguin naturals o causades per les obres d’enginyeria i, per altra banda, un estudi de les característiques mecàniques de la roca intacta. Respecte l’anàlisi de discontinuïtats es realitza en base a diferents classificacions de l’estabilitat dels massissos rocosos segons diferents mètodes: Terzaghi, Lauffer, Deere, paràmetre RQD, sistema RMR i finalment l’índex Q de Barton. L’estudi de la roca intacta parteix de la determinació del tipus de roca (magmàtica, sedimentària o metamòrfica) i de les seves principals característiques determinades a partir de diferents assaigs (assaig de compressió simple, assaig de tracció, assaig triaxial...). Finalment, s’estudien les deformacions, l’influencia de la presència d’aigua en el massís rocós i les tensions naturals i la seva evolució a mesura que es realitza l’obra. A continuació es fa una introducció a la metodologia de modelització per elements finits i elements discrets. L’anàlisi d’elements finits és un mètode matemàtic per aproximació a les solucions de les equacions plantejades mitjançant derivades parcials i l’anàlisi per elements discrets és un mètode per simular el comportament mecànic d’un medi determinat. Finalment, a partir de les bases explicades en els apartats anteriors s’analitza una problemàtica real sobre el túnel de Saint‐Béat a la regió Midi‐Pyrénées. Aquest túnel està situat en terrenys metamòrfics prop de la falla Nord Pirinenca, el massís rocós on s’ha de realitzar el túnel està afectat per una intensa fracturació, segons la bibliografia (s’ha tingut accés als estudis realitzats a la zona pel Laboratori Regional de Ponts i Camins de Toulouse) i les observacions de camp i de sondeigs s’ha vist que la zona d’estudi ha estat afectada per tres fases tectòniques diferents. L’estudi de les fractures s’ha realitzat a partir del diagràma de Wulff, que ha permès reagrupar les diferents falles o discontinuïtats per famílies. La principal aplicació d’aquest treball ha estat la modelització del túnel de Saint‐Béat per elements finits, per a poder fer‐la s’han esquematitzat els materials i les diferents fractures anteriorment esmentades, i s’han introduït les dades al programari ANSYS©. S’han definit les característiques dels diferents materials involucrats en la modelització, E (mòdul de deformació), ν (mòdul elàstic de Young) i ρ (pes específic): Formigó projectat E= 30000 MPa ν= 0,23 ρ= 2500 kg/m3 Formigó armat E= 10000 MPa ν= 0,25 ρ= 2300 kg/m3 Marbre E= 67000 MPa ν= 0,28 ρ= 2700 kg/m3 Fractura E=60300 MPa ν= 0,25 ρ= 2430 kg/m3 I les dimencions del túnel: Formigó projectat: Radi 6,1 metres amb un espessor de 0,2 metres Formigó armat: Radi 5,9 metres amb un espessor de 0,4 metres L’altura del massís rocós és de 120 metres i la seva amplada és de 366 metres. A partir d’aquests valors i fent la modelització s’ha pogut arribar a la conclusió que la deformacio del túnel és acceptable i que l’afectació deguda a deformació elàstica és més important en els materials durs com el formigó projectat i el marbre.