Capitulo i mecanica de rocas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRÁULICA
MECANICA DE ROCAS
ING. FRANKLIN R. MONTOYA TOROVERERO
Cajamarca, Septiembre 2014

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MACIZO ROCOSO COMO MATERIAL INGENIERIL
La roca ha sido usada como material de construcción desde inicios de la civilización.
Se conoce que hace 4000 A.C. la Ingeniería de Rocas se aplicaba en el laboreo manual con herramientas rudimentarias, excavándose rocas calizas y rocas blandas para ser utilizadas como habitat o refugio de los antiguos pobladores.
Desde 1850 se comenzó a utilizar técnicas de perforación y voladura para la excavación de túneles en EEUU.

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Según Palmstrom (1995), define que el macizo rocoso se distingue de los materiales usados en otras ingenierías por presentar discontinuidades (fracturas, diaclasas, planos de estratificación, fallas, etc), las cuales controlan el comportamiento ingenieril.
Según Pusch (1995), la Ingeniería de Rocas es una de las especializaciones que mas trata con indeterminaciones e incertidumbres, quizás debido a la naturaleza de las condiciones geológicas y de los parámetros geotécnicos
Como material Ingenieril, un macizo rocoso debe ser IDENTIFICADO, DESCRITO, CARACTERIZADO y CLASIFICADO.

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DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUDADES

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Dominio Estructural Estructura del Macizo

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CARACTERIZACIÓN DE
AFLORAMIENTOS

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Descripción de las discontinuidades

23 Intemperismo: Grado de alteración de la roca.
Espaciado: Distancia perpendicular entre dos fracturas de un mismo sistema.
Persistencia: Cuan grande es la fractura.
Rugosidad Ondulación: Grado de sinuosidad de la fractura. Aspereza: Presencia de picos
Resistencia: Resistencia al cizallamiento y la Deformabilidad.
Abertura: Distancia entre las paredes de la fractura.
Relleno: Material alojado en la abertura.
Flujo : Permeabilidad primaria y/o secundaria
Características de las discontinuidades

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Resistencia de los Macizos Rocosos

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CRITERIOS DE MOHR – COULOMB
Fue propuesto por primera vez por Coulomb en el año 1773, inicialmente pensado para el estudio en suelos, siendo un criterio lineal. Esto significa que la ecuación que define la superficie de fluencia es una línea recta. Para el criterio, se define la rotura en función de la tensión tangencial y la tensión normal en un plano.

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Teorías de Falla o Criterios de Rotura
En el curso se tratarán varios criterios para definir el fallamiento de una roca; el término criterio es usado en forma muy genérica desde que en el macizo rocoso muy poco se conoce de los mecanismos de deformación y fallamiento, entonces es casi imposible aplicar una sola teoría, la cual pueda abarcar a todos los tipos de rocas y todos los estados de los materiales rocosos

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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
El estudio de la fricción es de importancia fundamental en el estudio de la mecánica de rocas, la cual ocurre en todas las escalas.
I.A escala microscópica la fricción actúa activamente entre las superficies de las fisuras muy pequeñas de las rocas
II.A escala de relativa mayor magnitud, ocurre entre los granos individuales o ciertos materiales de agregados.
III.En discontinuidades, en las cuales las áreas pueden ser muy grandes.
La Fricción

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Considerando la ley de los estados de los esfuerzos de corte, que son necesarios para iniciar el deslizamiento entre dos planos superficiales que están en contacto, se cumple lo siguiente:
La Fricción
 = σ →(1)
Donde:  = Esfuerzo de corte  = coeficiente de fricción, el cual es normalmente una constante σ = Esfuerzo normal actuando sobre el plano

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Para las superficies rocosas en contacto, se ha encontrado que la relación dada por la ecuación anterior tiene que ser modificada para tomar en cuenta las asperezas las cuales ocurren en dichas superficies; entonces la ecuación (1) se convierte en:
 = s + σ →(2)
Donde:
 = Esfuerzo de corte  = coeficiente de fricción, el cual es normalmente una constante σ = Esfuerzo normal actuando sobre el plano S = constante, y es la resistencia de corte inherente de la superficie de contacto. Esta variable corresponde al termino cohesión.
La Fricción

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Para esfuerzos normales de mayor magnitud la constante S es incorporada para tomar en cuenta las irregularidades a través de los planos de corte en las superficies de contacto.
Para esfuerzos normales de poca magnitud el valor de  es incrementado para tomar en cuenta el deslizamiento de las superficies sobre las discontinuidades. En este caso la constante S = 0
Se tendrá entonces las siguientes ecuaciones:
La Fricción

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Los tres casos discutidos anteriormente, se muestran en el diagrama conceptual siguiente:
Con el esfuerzo de corte  necesario para iniciar el deslizamiento como una función del esfuerzo normal σ.
La Fricción

40
σ
0

 = s + σ
 = s + 2 σ
 = 1 σ
 = σ
1
3
2
s
La Fricción
Los tres casos discutidos anteriormente, se muestran en el diagrama conceptual siguiente:
Con el esfuerzo de corte  necesario para iniciar el deslizamiento como una función del esfuerzo normal σ.

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σ

σ


σ
1.Deslizamiento sobre el plano entre las superficies en contacto.  = σ
2. Deslizamiento entre los planos de las superficies de contacto con asperezas  = s + σ
3. Deslizamiento entre los planos de contacto
con irregularidades
Esfuerzos normales de poca magnitud:  = 1σ
Esfuerzos normales de mayor magnitud:  = s + 2 σ

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1.Propiedades Físicas y Geomecánicas de los materiales (tipos de uniones de las estructuras) 2. Condiciones de carga (Trayectoria, rango y duración) 3. Ambiente (temperatura, humedad, fluidez a través de los poros)
Factores que Afectan la Resistencia

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CRITERIO DE FALLA DE
HOEK & BROWN

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Criterio De Falla de HOEK & BROWN
Este criterio de falla es empírico basado en las observaciones de los estados de esfuerzos principales biaxial/triaxial, y las condiciones de falla de compresión no confinadas de la roca. Este criterio relaciona las condiciones limitantes de las fallas de las rocas en términos de los componentes de los esfuerzos principales, en lugar de las condiciones de los esfuerzos normales y de corte, modelados por los criterios de Mohr y Coulomb.

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RESUMEN
Uno de los problemas principales ha sido la determinación de resistencias equivalentes, en términos de cohesión y ángulos de fricción, que satisfagan las demandas de software programado en términos de criterio de falla de Mohr-Coulomb. Este trabajo trata de resumir la interpretación del criterio de falla de Hoek-Brown en los mejores resultados de la ingeniería práctica.

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CRITERIO DE FALLA DE HOEK & BROWN

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ENSAYOS GEOTECNICOS

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Ensayos Geotécnicos
√ Ensayos Geotécnicos
La aplicación de la Mecánica de rocas es de importancia fundamental, para solucionar los diversos problemas que se presentan en los diversos macizos rocosos. Debe considerarse el comportamiento de la roca in-situ, y la interrelación entre las discontinuidades geológicas, las características tensión-deformación y sus propiedades geomecánicas del macizo rocoso, como la resistencia a tracción y a compresión simple.

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Las propiedades mecánicas caracterizan la reacción de las rocas frente a la aplicación de un campo de fuerzas y dependen de:
La naturaleza del macizo rocoso
Los defectos de la roca
La metodología del ensayo. Las propiedades mas importantes del macizo rocoso que deben ser estudiadas cuando se diseñan estructuras de cimentación y excavaciones subterráneas, son:
Dureza,
Elasticidad,
Propiedades de resistencia de la roca

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Densidad Porosidad Absorción Peso especifico aparente
Propiedades Físicas
Para determinar las principales propiedades mecánicas de las rocas y del macizo rocoso, se deben realizar los siguientes ensayos de Laboratorio.
compresión uniaxial compresión triaxial corte directo carga puntual rebote con martillo schmidt tracción método brasilero constantes elásticas, etc.
Propiedades Mecánicas

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Propiedades de la Resistencia de la Roca
En todo diseño de excavaciones o cualquier obra ingenieril, se determinan las constantes elásticas y las propiedades de resistencia de la roca.
Aparte de la composición mineralógica, dureza de los minerales y la durabilidad de la roca; existen otros factores que afectan las propiedades mecánicas del macizo rocoso, entre los cuales tenemos :

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Propiedades de la Resistencia de la Roca
•Resistencia interna de las partículas minerales individuales
•Orientación de los cristales y granos minerales en relación a la carga aplicada y subsecuente deformación lateral y deslizamiento (especialmente en lutitas y pizarras)
•Defectos de las rocas, tales como diaclasas, fracturas, grietas y poros
•Grado de saturación
•Tensión in-situ
•Metodología del ensayo

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La resistencia de la roca puede determinarse tanto en especímenes de roca intacta en el laboratorio como en ensayos in situ. Los principales ensayos en el Laboratorio de Mecánica de Rocas, son:
1.Resistencia compresiva * Resistencia a la compresión uniaxial * Resistencia a la compresión triaxial
2.Ensayo de cizallamiento directo
3.Resistencia a la tracción
4.Resistencia a la flexión
5.Resistencia a la torsión

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Sonda Sacatestigos de Rocas

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Cortadora Diamantina
Testigos para Ensayos

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Ensayo de Compresión Uniaxial

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Tiene por finalidad medir la resistencia a la compresión uniaxial de una muestra de roca en forma de testigos cilíndricos de geometría regular. El ensayo es principalmente orientado a la clasificación de rocas de acuerdo a su resistencia compresiva y caracterización de la roca intacta. La resistencia a la compresión es normalmente definida como el esfuerzo necesario para romper un espécimen cilíndrico de roca sin confinamiento lateral.
Ensayo de Compresión uniaxial

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Equipo de Compresión Uniaxial
El equipo para el Ensayo de Carga Puntual, consiste en un equipo hidráulico portátil, con un bastidor de carga de gran rigidez y unos punzones cónicos fácilmente ajustables a las dimensiones del espécimen de roca a ensayar.

70
También, se puede decir que, este ensayo consiste en
aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a
probetas cilíndricas de relaciones L/D = 2, hasta producir
su rotura.
La resistencia a compresión simple σC (denominada
también uniaxial o no confinada) esta dad por:
(25)
4
2   
D
P
C 

Donde:
P = Carga ultima (rotura)
D = Diámetro de la probeta

71
Protodyakonov
Propuso que para aproximar los resultados
obtenidos a los estándares de L/D = 2 se aplique
la siguiente relación matemática:
(26)
7 2
8
0  


L
D
C 

σ0 = Resistencia compresiva uniaxial con L/D =2
σc = resistencia compresiva uniaxial con L/D  2
L = Longitud de la probeta

72
Teóricamente, el ángulo
(β) formado entre el plano
de fractura y la dirección
del esfuerzo principal es
relacionado con el ángulo
de fricción interna (Ø) por
medio de la siguiente
expresión matemática:
2
45º

  
Por tanto el ángulo de
fractura es una medida del
coeficiente de fricción interna
de la roca.

73
RESISTENCIA EN COMPRESION UNIAXIAL

74
Ensayo de Compresión Triaxial

75
En todo tipo de situaciones, por lo general la roca se encuentra confinada a tensiones triaxiales. Este ensayo tiene por finalidad conseguir la condición de falla, para un estado de tensiones definido. Cuando se diseñe obras de ingeniería o excavaciones superficiales o subterráneas en ciertas estructuras rocosa, se tendrá que combinar esfuerzos  -  , para que el diseño se encuentre en zona segura, estimándose finalmente un cierto factor de seguridad. Este ensayo permite obtener otros parámetros importantes de la roca, como: El ángulo de fricción interna (Øi) y la cohesión de roca intacta (S0)

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La máxima carga axial y la presión de confinamiento servirán para graficar los correspondientes círculos de Mohr, a partir de los cuales se podrá trazar la curva envolvente, determinándose el ángulo de fricción interna y la cohesión de la roca intacta.

77
En la Foto se aprecia a una maquina de compresión de rocas, consta de tres partes importantes, al lado derecho un tablero de control de carga; caracterizada por su capacidad de carga en este caso la maquina tiene una capacidad de 100 Tn. métricas, en el centro se ubica la parte de la maquina donde se ejecutan los ensayos, caracterizado por dos columnas con roscado sin fin y un puente con sus respectivos platos para ejecutar el ensayo y en la parte izquierda se encuentra un tablero donde se encuentra los manómetros y llaves para ejecutar el ensayo Triaxial, con su respectivo compresor, esta maquina se caracteriza por que usa corriente eléctrica trifásica.

80
Ensayo de Cizallamiento Directo o Corte Directo

81
Casi siempre la roca falla a través de las diaclasas o planos de debilidad. Cuando una roca se encuentra confinada o sujeta a tensiones en varias direcciones, dichas tensiones pueden descomponerse en dos direcciones principales: Una normal a la superficie potencial de falla y la otra tangencial a la superficie. Este ensayo tiene por finalidad reproducir en el laboratorio aproximadamente lo que ocurre en la roca in situ, de tal forma que se pueda evaluar entre que rangos varia el ángulo de fricción residual para un tipo de roca determinado.

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B
B





A
A
 = Esfuerzo normal  = Esfuerzo de corte  = Desplazamiento A = Tapa o molde de concreto B = Testigo de roca
Diseño del Ensayo de Corte Directo

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MAQUINA DE CORTE DIRECTO En esta maquina portátil se ejecuta el ensayo de corte directo sobre discontinuidades, cuyo objetivo es la determinación de los parámetros friccionantes : Cohesión “c” y ángulo de fricción “øi” básica y residual.
En esta foto, se puede apreciar la maquina de corte directo, constituida por dos gatas hidráulicas, una caja metálica para los moldes de concreto, con sus respectivos accesorios.

84
Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero)

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Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero)
El ensayo consiste en someter a una probeta cilíndrica (disco de roca) a una carga lineal compresiva actuando a lo largo de su diámetro.
El resultado de este esfuerzo compresivo, es una tensión horizontal y un esfuerzo compresivo variable, la muestra se puede romper separándose en dos mitades, según el eje de carga diametral, se han utilizado relaciones longitud/diámetro (L/D) ≈ 0,5
La resistencia a la tracción σt obtenido por este método indirecto esta dada por la relación:

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(24)
2
  
DL
P
t 

Donde:
P = Carga de rotura
L = Longitud de la probeta

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P
P
Diseño del Ensayo de Tracción Indirecta Método Brasilero

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ESTABILIDAD DE TALUDES E INESTABILIDADE DE TALUDES
ROTURAS EN PLANARES ROTURAS EN CUNAS ROTURAS EN CUÑAS

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