Riesgos Asociados a La Mecánica de Rocas en Minería Subterránea

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MECANICA DE ROCAS APLICADO A LA INGENIERA

INGº REYNALDO CANAHUA LOZA

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CONCEPTO BASICO DE LA MECANICA DE ROCAS Una definición ampliamente aceptada de la M.R. es aquella ofrecida por el comité de “ROCK MECHANIC” en 1964 y modificada en 1974. “ ES LA CIENCIA TEORICA APLICADA DEL COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA ROCA Y DE LOS MACIZOS ROCOSOS” “ ES AQUELLA RAMA DE LA MECANICA QUE TRATA LA RESPUESTA DE LA ROCA Y DE LOS MACISOS ROCOSOS AL CAMPO DE FUERZAS DE SU ENTORNO FISICO”

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METODOLOGIA DISPONIBLE PARA ANALISIS DE MEC. DE ROCAS

MODELAMIENTO DE MINA

Caracteres Geomecánicos

Estructura

Discontinuidades

MODELO GEOLOGICO Hidrológica Sismología

Meteorización

Litología

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Propiedades Mecánicas

Propiedades Mecánicas

Macizo Rocoso

Tensiones Naturales

Discontinuidades

MODELO GEOMECANICO

Calidad del Macizo Rocoso

Propiedades Mecánicas Calidad de la Excavación

Materiales

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Modelos Continuos

Equilibrio Limite

Soluciones cerradas

MODELO MATEMATICO Soluciones Abiertas

Modelos Discontinuos

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MODELO GEOLOGICO Conocer la roca permite tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

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CARACTERÍSTICAS DE LA ROCA La roca es un conjunto de sustancias minerales que formando masas, constituye gran parte de la corteza terrestre.

Según su origen, las rocas pueden ser ígneas, sedimentarias y metamórficas. Rocas ígneas, son aquellas que han sido formadas por la consolidación del magma. Rocas sedimentarias, formadas por la deposición de sedimentos. Rocas metamórficas, formadas por procesos de altas presiones y temperaturas. . La roca difiere de la mayoría de otros materiales utilizados en la ingeniería. Ésta tiene discontinuidades (fracturas) de diferentes tipos, que hacen que su estructura sea discontinua. Además, debido a los procesos geológicos que la han afectado entre el tiempo de su formación y la condición en la cual la encontramos en la actualidad, presenta heterogeneidades y propiedades variables. Todas estas características requieren ser evaluadas en forma permanente durante el laboreo minero.

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Primero es necesario distinguir lo que es el “material rocoso” o denominado también “roca intacta” y lo que es la “masa rocosa” o también denominada “macizo rocoso”.

Roca intacta, es el bloque ubicado entre las discontinuidades y podría ser representada por una muestra de mano o trozo de testigo que se utiliza para ensayos de laboratorio.

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Masa rocosa, es el medio in-situ que contiene diferentes tipos de discontinuidades como diaclasas, estratos, fallas y otros rasgos estructurales.

Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

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DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA Planos de estratificación, dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.

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Fallas, son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.

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Zonas de corte, son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

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Diaclasas, también denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa.

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Planos de foliación o esquistosidad, se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

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Contactos litológicos, que comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

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Venillas, son rellenos de las fracturas con otros materiales.

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OTROS RASGOS GEOLÓGICOS IMPORTANTES Pliegues, son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados.

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Diques, son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales.

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Chimeneas o cuellos volcánicos, son intrusiones que han dado origen a los conos volcánicos.

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PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES Todas las discontinuidades presentan propiedades geomecánicas importantes que las caracterizan y que influyen en el comportamiento de la masa rocosa. Estas propiedades son principalmente: Orientación, es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de de discontinuidades.

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Espaciado, es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

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Persistencia, es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.

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Rugosidad, es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente.

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Apertura, es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.

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Relleno, son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

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Esquema de las propiedades de las discontinuidades.

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REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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LA METEORIZACIÓN Y LA ALTERACIÓN Meteorización, Denominada también intemperización, está relacionada con la modificación que sufre la superficie de la roca o en sus proximidades, debido a la acción de agentes atmosféricos. El grado de la meteorización dependerá de las condiciones climatológicas, morfológicas y la composición de la masa rocosa. La meteorización se divide en meteorización física, química y biológica. Meteorización física, como consecuencia de ésta, la apertura de las discontinuidades aumenta o pueden formarse nuevas fracturas por el relajamiento de la roca. Meteorización química, origina la decoloración de la roca hasta la descomposición de la misma. Meteorización biológica, está regida por la presencia y actividad de los seres vivos.

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Masa rocosa meteorizada.

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MODELO GEOLOGICO

Proyecciones Estereográficas. Las propiedades tecnológicas del material de construcción, terreno o roca fracturada, resultan influenciadas notablemente por la existencia de fisuras y otras superficies de separación de índole geológico. En el tratamiento de problemas de estabilidad en masas rocosas, deberá por una parte determinarse y representarse la situación en el espacio de las estructuras y los planos, por otra parte debe ser tenida en cuenta la influencia de las estructuras de una manera cuantitativa en relación con posibilidades de movimiento y equilibrio limite. La representación de superficies o direcciones geológicas y la consideración de sus intersecciones es posible mediante la “Esfera de Proyección”

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Este procedimiento fue introducido inicialmente en geología por Schmidt, Sunder, Muller, Friedman y Philips. El estado mas avanzado de este desarrollo esta contenido en uno de los trabajos de Hoek y Hoek&Bray

Grafico de orientaciones.

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Semiesfera de proyección.

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Redes Schmidt y normal La representación grafica real de los datos geológicos geométricos, tiene lugar sobre sobre las llamadas redes, las líneas que forman estas redes se originan mediante la proyección fiel al área de los círculos máximos (meridianos) y de los círculos menores (paralelas), en la esfera de proyección se diferencian dos tipos principales de redes. •Red Schmidt, es la proyección de la esfera en la superficie polar o llamada también proyección esférica en sección transversal, esta red esta especialmente adecuada para la representación de círculos mayores y la determinación de ángulos entre superficies y direcciones. •Red Normal (Lambert), es la proyección de la esfera en su superficie plana ecuatorial, llamada también red polar, es especialmente apropiada para una rápida representación de polos.

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Construcción de la Red Schmidt.

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Orientación de juntas mediante proyección estereográfica

Estructura geológica (el plano) El perpindicular vectorial del plano

La proyección estereográfica La proyección del plano La proyección del polo

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Red Normal (Lambert).

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Proyección de polos y Círculos máximos.

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Esquema de proyección.

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MODELO GEOMECANICO Este trabajo viene a ser la recolección de data de campo, consistente en evaluar las características geomecánicas de las discontinuidades, para llevar esta información a una interpretación mas clara y sencilla y que nos de una idea del control de la estabilidad del macizo rocoso.

El mapeo es el trabajo mas delicado en geomecánica y tiene que ser realizado por personal debidamente capacitado. Se conocen diferente tipos de mapeos geomecánicos, entre los cuales tenemos: -Lineal o líneas al detalle.

-Estaciones o parches. -Ventanas. Cada una de ellas tiene un fin especifico, dependiendo del uso que se le quiere dar. Hay que tener en cuenta que el mapeo geomecánico se deben realizar únicamente en dominios estructurales previamente definidos. La norma utilizada es el International Societe Rock Mechanic (ISRM)

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LINEAL O LÍNEA AL DETALLE.

Este método consiste en trazar una línea en un dominio estructural, la idea es que esta línea intercepte la mayor cantidad de fracturas a lo largo de la misma. El éxito de este trabajo dependerá de la mayor toma de fracturas y/o discontinuidades a lo largo de esta línea. Se debe tomar todas las fracturas, sin tener en cuenta su orientación, puesto que al final se hará un compòsito de las mismas y se definirá las familias o sets de fracturamiento. Para ello se deben de tomar las siguientes características de las discontinuidades:

-Orientación (rumbo y buzamiento). -Espaciamiento. -Apertura. -Rugosidad. -Relleno. -Persistencia. -Meteorización.

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Estación o parche. Este método consiste en una evaluación de la estabilidad de una manera mas rápida, pero debe ser realizada por personal con mucha experiencia. Primero se define un dominio estructural, luego cuantos sistemas de fracturamiento están presentes, notar cuidadosamente cual de los sistemas es mas persistente de ello depende el éxito del trabajo, una vez hecho esto, este sistema será conocido como el sistema o familia de fracturamiento mas dominante. Luego se tomara las características mas predominantes de este sistema dominante por que serán éstos quienes lo representaran. Se debe tomar entre dos o tres fracturas de los sistemas mas dominantes, para poder obtener el valor de la caracterización del macizo rocoso. Los valores tomados de las características geomecánicas, corresponderán a la media estadística de cada sistema. Note que si cometemos un error al elegir al sistema dominante, estaremos sobre- valorando o sub-valuando la calidad del macizo rocoso.

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ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO Cuando hablamos de roca, nos referimos a un material diferente a otros usados en ingeniería, principalmente por la presencia de fracturas de un tipo u otro que originan discontinuidad dentro de la masa de roca. Los siguientes términos nos darán una mejor idea: Roca intacta, material que se encuentra sin discontinuidad es. Ejemplo testigo diamantino.

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Porción de masa de roca que tiene menos de seis fracturas por metro lineal.

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Masa rocosa Material donde se encuentran fallas, fracturas, junturas, diaclasas, plegamientos y cualquier otro tipo de elementos estructurales. Esta masa rocosa es discontinua, a menudo heterogénea y anisotrópica.

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CARACTERIZACIÓN DE LA MASA ROCOSA Para conocer la masa rocosa, hay necesidad de observar en el techo y las paredes de las labores mineras, las diferentes propiedades de las discontinuidades, para lo cual se debe primero lavar el techo y las paredes. A partir de estas observaciones se podrán sacar conclusiones sobre las condiciones geomecánicas de la masa rocosa.

Debido a la variación de las características de la masa rocosa, el supervisor deberá realizar en forma permanente una evaluación de las condiciones geomecánicas, conforme avanzan las labores, tanto en desarrollo como en explotación,

En situaciones especiales, el supervisor deberá realizar un mapeo sistemático de las discontinuidades, denominado mapeo geomecánico, utilizando métodos como el “registro lineal”, Los datos se irán registrando en formatos elaborados para este fin, luego serán procesados y presentados en los planos de las labores mineras.

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MAPEO GEOMECÁNICO

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Clasificación del Macizo Rocoso ¿Qué es un sistema de clasificación del macizo rocoso? Es un acercamiento sistemático para evaluar y comunicar la naturaleza de lo quebrado de una masa típica de la roca. Diseñando sistemas de clasificación de el macizo rocoso para la comunicación de ideas ¿Quién necesita saber esta información? Toda esa gente que esta involucrada en el diseño de la excavación y el uso en minas en operacion, o sea el ingeniero de planeamiento, geólogo, supervisores de la mina y mineros.

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¿Cuáles son los parámetros más importantes? Las propiedades fisicas,mecanica y quimicas de la roca intacta

La persistencia de la fractura La orientación de la fractura El agua subterránea

Fractura, aperatura y condición de la superficie

Los esfuerzos In-situ

La densidad de fractura del testigo (RQD)

El contorno (la forma) de la fractura

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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada. Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará condiciones favorables cuando sea excavada. Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada. Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada. Existen criterios para poder clasificar la masa rocosa, éstos están basados en la experiencia ganada en la ejecución de excavaciones en roca.

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CRITERIOS SEGÚN LA RESISTENCIA DE LA ROCA Considerando la resistencia de la roca a romperse o indentarse con golpes de picota, la guía práctica de clasificación de la roca es la siguiente: Resistencia muy alta: Solo se astilla con varios golpes de picota. Resistencia alta: Se rompe con más de 3 golpes de picota. Resistencia media: Se rompe con 1 a 3 golpes de picota. Resistencia baja: Se indenta superficialmente con la punta de la picota. Resistencia muy baja: Se indenta profundamente con la punta de la picota.

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CRITERIOS SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS DEL FRACTURAMIENTO Para clasificar la masa rocosa tomando en cuenta las características del fracturamiento (o grado de presencia de las discontinuidades), se mide a lo largo de un metro lineal cuantas fracturas se presentan, según esto, la guía práctica es la siguiente: Masiva o levemente fracturada: 2 a 6 fracturas /metro.

Moderadamente fracturada: 6 a 12 fracturas/metro. Muy fracturada: 12 a 20 fracturas/metro. Intensamente fracturada: Más de 20 fracturas/metro. Triturada o brechada: Fragmentada, disgregada, zona de falla.

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Masiva o levemente fracturada

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Moderadamente fracturada

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Muy fracturada

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Intensamente fracturada

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Triturada o brechada

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CRITERIOS SEGÚN LAS CONDICIONES DE LAS PAREDES DE LAS DISCONTINUIDADES Si tomamos en cuenta algunas propiedades de las paredes de las discontinuidades como la apertura, rugosidad, relleno y meteorización o alteración, la guía de clasificación de la masa rocosa es la siguiente:

Condición Muy Buena: Si las discontinuidades están cerradas, muy rugosas y están frescas. Condición Buena: Si están ligeramente abiertas, moderadamente rugosas y tienen manchas de oxidación. Condición Regular: Si están moderadamente abiertas, ligeramente rugosas a lisas y presentan oxidación. Condición Mala: Si están abiertas, lisas y presentan relleno blando (por ejemplo limo o panizo). Condición Muy Mala: Si están muy abiertas, estriadas y tienen relleno de panizo.

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CONDICIONES GEOMECÁNICAS Cuando se quiere conocer cómo se comportará la masa rocosa, ésta debe ser clasificada en forma conjunta tomando en cuenta todas sus características. Así, si juntamos las guías de clasificación antes indicadas, considerando la resistencia de la roca, las características del fracturamiento y las condiciones de las paredes de las discontinuidades, la masa rocosa puede clasificarse en cinco categorías: . Masa rocosa Muy Buena: Condiciones geomecánicas muy favorables para el minado. Masa rocosa Buena: Condiciones geomecánicas favorables para el minado. Masa rocosa Regular: Condiciones geomecánicas regulares para el minado. Masa rocosa Mala: Condiciones geomecánicas desfavorables para el minado. Masa rocosa Muy Mala: Condiciones geomecánicas muy desfavorables para el minado.

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OTROS FACTORES A TENERSE EN CUENTA

Si se tiene definida la condición de la masa rocosa para cada zona de la mina, se conocerá como se comportará ésta durante el minado, pero es necesario además, conocer otros aspectos o factores adicionales que podrían modificar su comportamiento al ser excavada. Estos otros factores están referidos a lo siguiente: A la presencia de agua. a) Reduce el esfuerzo normal efectivo entre la superficie dela roca. b) Reduce la resistencia potencial al corte de la roca

  c   n tg

(u)  Esfuerzode porosidad

  c  (  u) tg

(  u)  Esfuerzo efectivo

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A la presencia de los esfuerzos o también denominados presiones de la roca o del terreno. A la presencia de fallas principales . La presencia de estos factores en la masa rocosa, por lo general tienen un efecto adverso sobre su comportamiento. Estos factores son tratados en el Capítulo Identificación de los Problemas del Terreno.

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METODOLOGIA PARA EL DISEÑO EN MECANICA DE ROCAS ANALISIS RETROSPECTIVO

CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO

FORMALIZACION DEL MODELO ANALISIS Y DISEÑO

CONSTRUCCION

MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DE LA EXCAVACION

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APLICACION DE LA MECANICA DE ROCAS

APLICACION EN LABORES SUBTERRANEAS

APLICACION EN LABORES SUPERFICIALES

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LABORES SUPERFICIELES

ESTABILIDAD DE TALUDES EN OPERACIONES MINERAS

ESTABILIDAD DE TALUDES NATURALES

OBRAS CIVILES EN GENERAL