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Curso: geología aplicada

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCASDocente: In . Wilver Morales Cés edes wmorales @unc.edu. e

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFacultad 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: In . Wilver Morales Cés edes wmorales @unc.edu. e





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 encargadel estudio teórico y práctico delas propiedades y comportamientomecánico de los materialesrocosos, y de su respuesta ante laacción de fuerzas aplicadas en su

entorno físico.




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La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer ypredecir el comportamiento de los materiales rocososante la actuación de las fuerzas internas y externasque se ejercen sobre ellos.






Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se

agrupan en:

1) Cuando el material rocosoconstituye la estructura(excavaciones de túneles,

galerías, taludes, etc.).

2) Cuando la roca es el soporte deotras estructuras(cimentaciones de edificios,presas, etc.).

3) Cuando las rocas sonempleadas como material deconstrucción (escolleras,pedraplenes, rellenos, etc.).






Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructurassobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio

rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/orompiéndose.






El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a

soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permiteevaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras yobras de ingeniería.




La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tiposde 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.


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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 COMPORTAMIENTOY 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 LASPROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

El agua como material geológico coexistente conlas rocas influye en su comportamiento mecánicoy 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 losmateriales meteorizados.

2) Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.

3) Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en suresistencia.

4) Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidadesimportantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua.

5) Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizosrocosos

6) Es un agente erosivo

7) Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en lacomposición del agua






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






En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso deaflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamientode la roca será muy rápido.

La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influyesignificativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.




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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOSROCOSOS

Los macizos rocosos se clasifican basadosen 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, obloques de roca intacta que quedan entre ellas. Lamatriz rocosa, a pesar de considerarse continua,presenta un comportamiento heterogéneo yanisótropo ligado a su fábrica y a su microestructuramineral. 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 considerarseque presentan una resistencia a la tracción nula.

MACIZOROCOSO







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 túnelcon 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 masfrecuentes. 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 queindependiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo

rocoso. Generalmente la resistencia a la tracción de los planos dediscontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecánico quedacaracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la delmaterial de relleno.

Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructuralesdentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a lasoperaciones de minado.

DISCONTINUIDADES







La presencia de planos de debilidad de orientaciones

preferentes (estratificación, laminación, familia dediaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades ycomportamiento mecánico en función de la direcciónconsiderada. También la orientación de los esfuerzos que

se ejercen sobre el material rocoso puede implicar unaanisotropía 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 ESTRATIFICACIÓNDividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.







Son fracturas que han tenidodesplazamiento. Éstas son

estructuras menores que sepresentan en áreas locales dela mina o estructuras muyimportantes que pueden

atravesar toda la mina.

FALLAS







Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en dondeha ocurrido fallamiento de la roca.

ZONAS DE CORTE







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

DIACLASAS







PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDADSe forman entre las capas de las rocas metamórficas dando laapariencia de hojas o láminas.







CONTACTOS LITOLÓGICOS

Cuando 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






PLIEGUES

Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados






DIQUESSon intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentangeneralmente empinadas o verticales o subverticales.






PROPIEDADES DE LAS

DISCONTINUIDADES






ORIENTACIÓN



Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descritopor su rumbo y buzamiento.

Cuando un grupo de

discontinuidades sepresentan con similarorientación o en otraspalabras sonaproximadamenteparalelas, se dice que

éstas forman un“sistema” o una “familia”

de discontinuidades.




ESPACIADO



Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina eltamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloquesserán 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 cuantomayor sea ésta, será menos estable.




RUGOSIDAD



Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuantomenor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menoscompetente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente




APERTURA



Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el gradode abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masarocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán másdesfavorables.




RELLENO



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

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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 lasdiscontinuidades tienen propiedadesfavorables, la masa rocosa será competente y

presentará condiciones favorables cuando seaexcavada.

Si la roca intacta es débil o de baja resistenciay las discontinuidades presentan propiedadesdesfavorables, la masa rocosa será incompetente

y presentará condiciones desfavorables cuandosea excavada.

Habrá situaciones intermedias entre losextremos antes mencionados donde la rocatendrá condiciones regulares cuando sea

excavada.




CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZOROCOSO

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 laMasa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de ResistenciaGeológica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinanutilizando los datos de los mapeos geomecánicos efectuados en lasparedes 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 ensayosde laboratorio.

Puede ser determinado utilizando los testigos de lasperforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje detrozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de lalongitud total del taladro.

2.El RQD (Rock Quality Designation)



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TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA



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3.El espaciamiento de lasdiscontinuidades.

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



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PROPIEDADES DE LA

MATRIZ ROCOSA











PROPIEDADES FISICAS

Controlan las características resistentes ydeformacionales de la matriz rocosa, y son elresultado de la génesis, condiciones y procesosgeológicos y tectónicos sufridos por las rocas a

lo largo de su historia.






1.Composición Mineralógica2.Fábrica, textura3.Porosidad4.Peso Específico

5.Contenido de humedad6.Permeabilidad7.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 rocososinfluyen 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 seguridaden una dirección que en otra, ladirección preferencial de avance de la excavación

es determinada por el rasgoestructural dominante de la masa rocosa.






Minar en la dirección preferencial deavance, significará tener condiciones más

ventajosas para la estabilidad de laexcavación. Contrariamente, minar en ladirección de avance menos favorable,puede alterar o debilitar la estabilidad de lamasa 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 unsistema principal dediscontinuidades o al rumbo de los estratos, fallasprincipales y zonas de corte, lascondiciones de estabilidad de la masa rocosa seránmuy desfavorables por eldebilitamiento de la roca, principalmente cuando el

buzamiento de estasestructuras 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 laexcavación, las mismas que presentan inestabilidad.






En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la rocaes una constantepreocupación, particularmente si la excavación avanzacerca de una fallageológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en elárea ubicada entre lafalla y la excavación y si estos esfuerzos exceden laresistencia de la roca, puede

ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrirreventazones y hastaestallido 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 estructurarocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a laexcavación, las mismas que presentan buena estabilidad.






El principio señalado también es aplicable al caso decuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje

de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sinoque la excavación atraviese la cuña, es decir, que elrumbo de la cuña sea perpendicular al eje de laexcavación, en este caso, las mismas familias dediscontinuidades permitirán el autosostenimiento de la

excavación






En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña






Así mismo, el mencionado principio tambiénes aplicable al caso de labores mineras enzonas de pliegues con anticlinales y

sinclinales. En este caso, la ubicación ydirección de avance de las excavacionesinfluirán en las condiciones deestabilidad de las excavaciones.






En general, las labores cuyo

avance es perpendicular a losejes de los plegamientos,presentarán mejorescondiciones de estabilidadrespecto a las orientadas en

forma paralela a los ejes,siendo las más desfavorableslas paralelas a los ejes de lossinclinales por laconcentración de los flujos

de agua y de los esfuerzos.



Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túnelesy galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en unamina.




(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy

desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo decondiciones 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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