MECANICA DE ROCAS

1. MECANICA DE ROCAS
RESISTENCIA Y
DEFORMABILIDAD DE ROCAS
Ing. Juan Fredy CALLA FERNANDEZ
2014

2. INTRODUCCION
El comportamiento mecánico de las rocas está definido por su
resistencia y su deformabilidad.
La resistencia, como se ha definido anteriormente, es el
esfuerzo que soporta una roca para determinadas
deformaciones.
Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin
confinar se denomina resistencia a compresión simple, y su
valor se emplea para la clasificación geotécnica de las rocas.
La resistencia es función de las fuerzas cohesivas y
friccionales del material (además de otros factores extrínsecos
al material rocoso.

3. La cohesión c, es la fuerza de unión entre las
partículas minerales que forman la roca.
El ángulo de fricción interna Φ, es el ángulo de
rozamiento entre dos planos de la misma roca,
para la mayoría de las rocas éste ángulo varía
entre 25° y 45°. La fuerza friccional depende del
ángulo de fricción y del esfuerzo normal σ
actuando sobre el plano considerado.

4. La resistencia de la roca no es un valor único,
ya que además de los valores de c y Φ, depende
de otras condiciones, como la magnitud de los
esfuerzos confinantes, la presencia de agua en
los poros o la velocidad de aplicación de la
carga de rotura.
También, incluso en rocas aparentemente
isótropas y homogéneas, los valores de c y Φ
pueden variar según el grado de cementación o
variaciones en la composición mineralógica.

5. CRITERIOS DE ROTURA
La resistencia de la matriz rocosa isótropa
se puede evaluar mediante los criterios de
rotura de Mohr-Coulomb y de Hoek y
Brown.
La principal diferencia entre ambos es que
el primero es un criterio lineal y el segundo
no lineal, más adecuado al comportamiento
mecánico real de las rocas.

6. Criterio de Mohr-Coulomb
Este criterio expresa la resistencia al
corte a lo largo de un plano en un estado
triaxial de tensiones, obteniéndose la
relación entre los esfuerzos normal y
tangencial actuantes en el momento de la
rotura mediante la expresión matemática

7. CIRCULO DE MOHR COULOMB

9. Efectos de la anisotropía y de la presión
de agua en la resistencia.-
Cuando la roca presenta anisotropía, su
resistencia compresiva para un mismo estado de
esfuerzos varía según el ángulo β (β= 90 - θ)
entre la dirección de los planos de anisotropía y
la dirección de la carga aplicada, pudiendo
presentar valores muy diferentes.
Las rocas anisótropas son difíciles de ensayar
por la variabilidad de su resistencia, siendo
necesarios numerosos ensayos para obtener
parámetros representativos de todo el rango de
resistencia.

10. La presión intersticial en la matriz rocosa porosa
disminuye su resistencia, al actuar esta presión
en contra de la tensión normal que se opone a la
rotura, cumpliéndose el principio de la tensión
efectiva:
Esto sólo afecta a rocas porosas permeables,
que permiten la entrada de agua y pueden llegar
a saturarse. Muchas de las rocas pueden
considerarse prácticamente impermeables,
aunque bajo condiciones de presencia de agua,
la saturación es cuestión de tiempo.

12. El criterio de Mohr-Coulomb implica que tiene lugar una
fractura por corte al alcanzarse la resistencia de pico del
material. La gran ventaja de este criterio es su sencillez.
Sin embargo presenta inconvenientes debido a que:
• Las envolventes de la resistencia en roca no son
lineales; se ha comprobado experimentalmente que la
resistencia de las rocas aumenta menos con el
incremento de la presión normal de confinamiento que
lo obtenido al considerar una ley lineal, lo que puede
implicar errores al considerar los esfuerzos actuantes,
sobre todo en zonas de bajos esfuerzos confinantes.
- La dirección del plano de la fractura según este criterio
no siempre coincide con los resultados experimentales.
- El criterio sobrevalora la resistencia a la tracción.

13. No obstante, si se utiliza este criterio lineal de
rotura, para evaluar la resistencia de la matriz
rocosa, se pueden adoptar las siguientes
recomendaciones:
- Suponer que el valor de la cohesión es un
valor próximo al 10% de la resistencia a
compresión simple de la matriz rocosa.
- Adoptar un valor del ángulo de rozamiento
interno según el nivel de tensiones con el que
trabaja, tomado de ensayos específicos o de
tablas.

14. CRITERIO DE HOEK Y BROWN
El propuesto por Hoek y Brown (1980) es un
criterio empírico de rotura no lineal valido para
evaluar la resistencia de la matriz rocosa
isótropa en condiciones triaxiales:
Donde σ1, y σ3 son los esfuerzos principales
mayor y menor en rotura, σci, es la resistencia a
compresión simple de la matnz rocosa y mi es
una constante que depende de las propiedades
de la matnz rocosa.

17. DEFORMABILIDAD
La deformabilidad es la propiedad que tiene
la roca para alterar su forma como
respuesta a la actuación de fuerzas.
Según sea la intensidad de la fuerza
ejercida, el modo en que se aplica y las
características mecánicas de la roca, la
deformación será permanente o elástica; en
este último caso el cuerpo recupera su
forma original al cesar la actuación de la
fuerza.

18. Ensayos de laboratorio de
resistencia y deformabilidad .-
Los métodos experimentales para determinar la
resistencia y la deformabilidad de las rocas son
independientes del criterio de rotura adoptado
en cada caso; su finalidad es establecer las
relaciones entre los esfuerzos y las
deformaciones durante el proceso de carga y
rotura, los esfuerzos a que está sometida la roca
en el momento de la rotura y sus parámetros
resistentes.
Estos métodos son los ensayos de laboratorio
de compresión uniaxial, compresión triaxial y
tracción.

23. RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD
DE MACIZOS ROCOSOS
La resistencia de los macizos rocosos es función de la
resistencia de la matriz rocosa y de las
discontinuidades, siendo ambas extremadamente
variables, y de las condiciones geoambientales a las
que se encuentra sometido el macizo, como las
tensiones naturales y las condiciones hidrogeológicas.
La presencia de zonas tectonizadas, alteradas o de
diferente composición litológica, implica zonas de
debilidad y anisotropía con diferentes
comportamientos y características resistentes.
Estas circunstancias determinan una gran complejidad
en la evaluación de la resistencia de los macizos
rocosos.

26. Comportamiento y propiedades resistentes del
Macizo Rocoso
Según el grado de fracturación del macizo, su
comportamiento y propiedades resistentes
quedarán definidas por:
• La resistencia de la matriz rocosa (isótropa o
anisótropa).
• La resistencia al corte de una familia de
discontinuidades.
• La resistencia al corte de 2 ó 3 familias de
discontinuidades (siempre que sean
representativas en el macizo).
• La resistencia global de un sistema de bloques
rocosos con comportamiento isótropo.

28. OBTENCIÓN DE L AS CONSTANTES m, s y α
Con el fin de ampliar el rango de aplicación del
criterio generalizado, sobre todo a macizos rocosos de
mala calidad, y emplear parámetros más geológicos
para la evaluación de su resistencia, Hoek (1994) y
Hoek et al, (1995) han propuesto un índice geológico
de resistencia, GSI (geological strength index), que
evalúa la calidad del macizo en función del grado y las
características de la fracturación, estructura geológica,
tamaño de los bloques y alteración de las
discontinuidades.

30. El valor de GSI = 25 es arbitrario. Para
GSI > 25 (macizos de media a muy buena
calidad) este índice puede obtenerse a
partir del RMR, mediante la correlación
siguiente, en cuyo caso debe asignarse
un valor de 15 para las condiciones de
agua del macizo y un valor de 0 al
parámetro de ajuste para la orientación
de las discontinuidades:

34. Deformabilidad de los macizos
rocosos
La deformabilidad de un macizo rocoso viene dada
por las relaciones entre los esfuerzos aplicados y las
deformaciones producidas, y queda definida por su
módulo de deformación, que relaciona la tensión o
esfuerzo con la deformación correspondiente.
La deformabilidad, al igual que las demás
propiedades de los macizos, presenta un carácter
anisótropo y discontinuo, por lo que su
determinación resulta compleja, siendo uno de los
problemas sin resolver adecuadamente en mecánica
de rocas

36. Métodos para la Evaluación de la
Deformabilidad
Los métodos para la evaluación de la
deformabilidad del macizo se pueden
clasificar en directos e indirectos.
En el primero (directos) se incluyen los
ensayos in-situ, mientras que el segundo
grupo (indirectos) incluye los métodos
geofísicos y una serie de correlaciones
empíricas.

37. Influencia de las discontinuidades en
la deformabilidad del macizo
Conforme se considera un mayor volumen de
macizo rocoso, se permite a las
discontinuidades jugar un papel más importante
en su resistencia y deformabilidad, del macizo
será función del espaciado de las juntas, con
dimensiones varias veces superiores a éste.
La resistencia a compresión, al igual que ocurre
con otras propiedades del macizo, se reduce con
el incremento del tamaño de la muestra,
tendencia similar a la de la matnz rocosa y a la
de las discontinuidades

38. CONCLUSION
La deformabilidad del macizo rocoso
depende del grado de fracturación y de
las propiedades deformacionales de las
discontinuidades y de la matriz rocosa.
Al aumentar la intensidad de fracturación
aumenta la deformabilidad del macizo,
debido a la influencia de un número
creciente de discontinuidades.

39. GRACIAS POR
SU ATENCION