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.

Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe



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.




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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.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES




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



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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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