Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

Resumen Técnico: Análisis Comparativo de la Zona Plástica en Vías de Acceso en Rocas Blandas Profundas Considerando la Reología o No

Planteamiento del Problema
La minería profunda en China encuentra frecuentemente vías de acceso en formaciones de roca blanda que exhiben un comportamiento reológico (dependiente del tiempo) pronunciado. Los análisis elastoplásticos tradicionales de la roca circundante a las vías de acceso suelen basarse en la resistencia a la compresión máxima de los especímenes de roca como criterio de falla, omitiendo las características reológicas de la masa rocosa. Este enfoque conduce frecuentemente a resultados teóricos que sobreestiman la resistencia de la roca circundante y subestiman la extensión de la deformación y la zona plástica (de aflojamiento), lo que resulta en diseños que se desvían de la realidad de la ingeniería y comprometen la estabilidad a largo plazo. El problema central abordado es la discrepancia entre las predicciones teóricas de la zona plástica y las observaciones de campo reales en vías de acceso de roca blanda profunda, causada específicamente por la omisión de los efectos reológicos y la identificación errónea del estado de esfuerzo pico en la roca circundante estabilizada.

Metodología
El estudio utiliza un enfoque multifacético que combina el monitoreo de campo, pruebas de laboratorio, derivación teórica y simulación numérica, centrado en la cámara rectificadora de carga de -848 m de una mina.

1. Investigación de Campo: El sitio de estudio fue seleccionado porque la roca circundante había alcanzado un estado estable tras una severa deformación inicial. Las secciones de monitoreo midieron desplazamientos superficiales (abombamiento del arco, convergencia techo-piso, esquinas del piso) para confirmar la estabilidad. Se realizaron pruebas de velocidad de ondas ultrasónicas para determinar la profundidad real de la zona de aflojamiento (zona plástica) en el campo, la cual osciló entre 2.7 y 3.2 m en los costados.
2. Pruebas de Laboratorio: Se probaron núcleos de roca para determinar los parámetros mecánicos.
   • Compresión Triaxial: Los especímenes fueron sometidos a presiones de confinamiento de 0, 4, 8, 12 y 16 MPa para obtener curvas completas de esfuerzo-deformación y resistencias máximas ($\sigma_{pk}$).
   • Pruebas de Creep (Fluencia): Se realizaron pruebas de creep con carga escalonada bajo las mismas presiones de confinamiento.
   • Determinación de la Resistencia a Largo Plazo: Utilizando la "teoría de la trayectoria de terminación del creep", la intersección de la trayectoria de terminación de la fluencia ajustada y la curva completa de esfuerzo-deformación se utilizó para determinar la resistencia a largo plazo ($\sigma_{\infty}$) para cada presión de confinamiento.
3. Análisis Teórico: Se estableció un modelo elástico-frágil-plástico. El estudio derivó soluciones analíticas para el radio de la zona plástica bajo dos condiciones:
   • Caso A (Considerando la Reología): El esfuerzo pico de la roca circundante ($\sigma_s$) se definió como la resistencia a largo plazo ($\sigma_{\infty}$).
   • Caso B (Negligiendo la Reología): El esfuerzo pico se definió como la resistencia a la compresión máxima ($\sigma_{pk}$).
   • Se derivaron soluciones tanto para condiciones axisimétricas ($\lambda = 1$) como para campos de esfuerzo biaxial desigual ($\lambda = 0.86$) utilizando el método de construcción de esfuerzos.
4. Simulación Numérica: Se utilizó el software de elementos finitos ABAQUS para simular la vía de acceso. Se ejecutaron dos modelos: uno utilizando los parámetros de resistencia a largo plazo (cohesión $c_0 = 5.58$ MPa) y otro utilizando los parámetros de resistencia máxima (cohesión $c_0' = 11.26$ MPa).

Contribuciones Clave

• Redefinición del Criterio de Esfuerzo Pico: El artículo propone que, para vías de acceso de roca blanda profunda estabilizadas, el esfuerzo pico de la roca circundante debe equipararse a la resistencia a largo plazo de la roca bajo una presión de confinamiento dada, en lugar de su resistencia a la compresión máxima instantánea. Esto se basa en la premisa de que si el esfuerzo excede la resistencia a largo plazo, la deformación reológica inestable continuará hasta que el esfuerzo caiga a un nivel estable.
• Soluciones Analíticas: El estudio proporciona soluciones analíticas elastoplásticas explícitas para el radio de la zona plástica y la distribución de esfuerzos, distinguiendo entre escenarios donde se considera la reología (usando la resistencia a largo plazo) y donde se ignora (usando la resistencia máxima).
• Validación Comparativa: Al integrar datos de campo, el estudio demuestra cuantitativamente la magnitud del error introducido al ignorar la reología.

Resultados

• Observaciones de Campo: La profundidad medida de la zona de aflojamiento en los costados de la vía de acceso fue de 2.7–3.2 m.
• Comparación Teórica:
  • Negligiendo la Reología: Usando la resistencia máxima, el radio de la zona plástica calculado fue aproximadamente 2.83 m (para $\lambda=1$) y 2.93–3.22 m (para $\lambda=0.86$). La profundidad de la zona plástica resultante en los costados fue de solo ~0.68 m, lo que sugiere que la roca permaneció mayormente elástica. Esto subestimó significativamente la zona de aflojamiento real.
  • Considerando la Reología: Usando la resistencia a largo plazo, el radio de la zona plástica calculado fue de 4.96 m ($\lambda=1$) y 4.69–5.24 m ($\lambda=0.86$). La profundidad de la zona plástica resultante en los costados fue de 2.42 m a 2.70 m, lo cual se alineó estrechamente con el rango medido en campo de 2.7–3.2 m.
• Simulación Numérica: Los resultados de la simulación reflejaron los hallazgos teóricos. Ignorar la reología produjo una zona plástica pequeña en forma de herradura (~0.58 m de profundidad), mientras que considerar la reología produjo una distribución elíptica con una profundidad de ~2.12 m, mucho más cercana a la realidad de campo.
• Distribución de Esfuerzos: Negligir la reología condujo a una sobreestimación significativa de la resistencia de la roca circundante y a una evaluación no conservadora de la estabilidad.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que las características reológicas de la masa rocosa son un factor dominante en la deformación y la distribución de esfuerzos en las vías de acceso de roca blanda profunda. El principal significado radica en el hallazgo de que negligir la reología conduce a una sobreestimación sustancial de la resistencia de la roca circundante, resultando en cálculos de la zona plástica que se desvían significativamente de la práctica de ingeniería y plantean riesgos de seguridad.

Los autores afirman que, para la evaluación de la estabilidad a largo plazo y el diseño de soporte de vías de acceso de roca blanda profunda, se deben considerar plenamente las características reológicas. Específicamente, el esfuerzo pico en los modelos teóricos debe basarse en la resistencia a largo plazo de la masa rocosa en lugar de su resistencia máxima instantánea. Este enfoque asegura que los análisis teóricos y los diseños de ingeniería sean consistentes con la evolución de la deformación real y las condiciones de estabilidad observadas en el campo. El estudio concluye que, si bien las soluciones analíticas exactas para presiones biaxiales desiguales siguen siendo complejas, el método aproximado propuesto que considera la reología proporciona una base fiable y más segura para las aplicaciones de ingeniería.