Cap.1 introduccion mecanica de rocas

Curso: geología aplicada
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS
Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de INGENIERÍA
Escuela Académico Profesional de INGENIERÍA HIDRÁULICA

Capítulo I: Introducción a la mecánica de Rocas
•1.1 Introducción, conceptos generales.
•1.2 Introducción a la mecánica de Rocas
•1.3 Deformación de las Rocas.
•1.4 Cargas y esfuerzos que están sometidas las rocas.
• 1.5 Modulo de elasticidad.
• 1.6 Esfuerzo de trabajo de las rocas.

MECÁNICA DE ROCAS
•PROPÓSITO. Impartir los conocimientos y las herramientas de cálculo necesarios para llevar a cabo de manera racional y eficiente las mencionadas tareas del diseño geotécnico.

¿ MACIZOS ROCOSOS?
Introducción a la mecánica de rocas.
Discontinuidades: Es cualquier plano de origen mecánico o sedimentário que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en un macizo rocoso.
Matriz Rocosa: Material rocoso exento de discontinuidades o los bloques de “roca intacta” que quedan entre ellas.
MATRIZ ROCOSA
DISCONTINUIDADES

La Mecánica de Rocas se encarga del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.

Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se agrupan en:
1)Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, galerías, taludes, etc.).
2)Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.).
3)Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.).

Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.

El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería.
La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.

DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS

Cuando hablamos de deformaciones, hablamos de desplazamientos
diferenciales en el seno de una roca o de un material artificial (ala de un
Avión, edificio….)
…desplazamientos que están asociados a unos esfuerzos y unas
condiciones de contorno
El ingeniero prevé que le ocurrirá a la estructura (en este caso artificial (embalse, edificio….) o modificada (talud) cuando se la someta a esfuerzos

FACTORES PRINCIPALES QUE CONTROLAN LA DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS

El comportamiento tensión deformación, o esfuerzo –deformación, de un cuerpo viene defino por la relación entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones producidas y hace referencia a como se va deformando y como va variando el comportamiento del material rocoso a lo largo de la aplicación de la carga.
Relaciones tensión - deformación

Modelos de comportamiento tensión - deformación de las rocas
El comportamiento de las rocas puede clasificarse de forma general y simplificada en:
Frágil, con deformaciones elásticas típico de rocas duras y resistentes
Frágil - dúctil: con deformaciones elásticas y plásticas no recuperables; típico de rocas blandas poco resistentes
Dúctil, con deformaciones plásticas predominantes (permanentes)

FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1.La Litología y propiedades de la matriz rocosa.
2.La estructura geológica y las discontinuidades.
3.El estado de esfuerzos a que está sometido el material.
4.El grado de alteración o meteorización.
5.Las condiciones Hidrogeológicas.

METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS
1.PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO
a) Formación de hielo
b) Insolación
c) Formación de sales
d) Hidratación
e) Capilaridad

2.PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN QUÍMICO
a)Disolución
b)Hidratación
c)Hidrólisis
d)Oxidación y Reducción
METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS

EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS
El agua como material geológico coexistente con las rocas influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas

Los efectos más importantes son:
1)Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados.
2)Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.
3)Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia.
4)Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua.
5)Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos rocosos
6)Es un agente erosivo
7)Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la composición del agua

El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y
permitir que las piezas de rocas se muevan.

En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de
aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento
de la roca será muy rápido.
La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influye
significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.

CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS
Los macizos rocosos se clasifican basados en factores que determinen su comportamiento mecánico.

CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1) Propiedades de la matriz rocosa.
2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:
- El grado de fracturación (índice RQD)
- El tamaño y la forma del macizo.
- Sus propiedades hidrogeológicas.
3) Grado de Meteorización o Alteración.
4) Estado de Tensiones In Situ
5) Presencia de agua

Es el material rocoso exento de discontinuidades, o bloques de roca intacta que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su microestructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso específico, resistencia y deformabilidad.
MATRIZ ROCOSA

Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso. Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos. Prácticamente pueden considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula.
MACIZO ROCOSO

DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIÓN DESDE LA ROCA INTACTA
HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.

Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental
para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del
macizo rocoso.
DISCONTINUIDADES

Discontinuidades
La mayoría de los problemas de estabilidad se deben a la intersección de la sección del túnel con planos de discontinuidad
Se distinguen las discontinuidades de tipo singular. Las diaclasas, planos de estratificación y de esquistosidad pertenecen al primer grupo, y están presentes prácticamente en todas las rocas, con mayor incidencia en zonas poco profundas, donde los procesos de meteorización y circulación de agua y los rellenos arcillosos son mas frecuentes. A grandes profundidades la presión confinante hace que la apertura de las discontinuidades sea menor pudiendo llegar a estar muy cerradas.

Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso. Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del material de relleno.
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.
DISCONTINUIDADES

La presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familia de diaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades y comportamiento mecánico en función de la dirección considerada. También la orientación de los esfuerzos que se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una anisotropía asociada al estado tensional.
ANISOTROPIA

MACIZO ROCOSO

DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA
Los principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son:

PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN
Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.

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.
FALLAS

Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.
ZONAS DE CORTE

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

PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD
Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

CONTACTOS LITOLÓGICOS
Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

VENILLAS
Son rellenos de las fracturas con otros materiales

PLIEGUES
Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados

DIQUES
Son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan
generalmente empinadas o verticales o subverticales.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

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 discontinuidades.

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.

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.

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

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.

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.

REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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.

CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO
Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de clasificación geomecánica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y otros.
Por su simplicidad y utilidad, están los criterios RMR (Valoración de la Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de Resistencia Geológica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecánicos efectuados en las paredes de las labores mineras o en

EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
1.La resistencia compresiva (Rc)
De la roca intacta, que puede ser determinada con golpes de picota o con otros procedimientos como los ensayos de laboratorio.
Puede ser determinado utilizando los testigos de las perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la longitud total del taladro.
2.El RQD (Rock Quality Designation)

TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA

3.El espaciamiento de las discontinuidades.
4.La condición de las discontinuidades, referidas en este caso a la persistencia, apertura, rugosidad, relleno y meteorización.
5.La presencia de agua.
EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI

PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA

PROPIEDADES FISICAS
Controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa, y son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

1.Composición Mineralógica
2.Fábrica, textura
3.Porosidad
4.Peso Específico
5.Contenido de humedad
6.Permeabilidad
7.Durabilidad (Alterabilidad)
PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES

PROPIEDADES MECANICAS
1.Resistencia a la Compresión Simple
2.Resistencia a la tracción
3.Velocidad de propagación de las ondas elásticas
4.Resistencia
5.Deformabilidad

En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influyen además las Características Geológicas:
1) Litológicas
2) Estratigrafía
3) Estructura Geológica
4) Discontinuidades tectónicas o Diagénicas
5) Estados de esfuerzos In Situ
Escuela Académico Profesional de INGENIERÍA HIDRAÚLICA

ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES
La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa.

Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.
ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45 °.

Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación, las mismas que presentan inestabilidad.

En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.

Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza
paralela a una falla

Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura
rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la
excavación, las mismas que presentan buena estabilidad.

El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la excavación

En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña

Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las condiciones de estabilidad de las excavaciones.

En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.
Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.

(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy
desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo de
condiciones desfavorables.

Al definir un volumen de macizo rocoso, implícitamente estamos también definiendo el tamaño de los “trozos de roca” y de las estructuras que conforman este volumen a estudiar

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