Clase 5. Parte 1

Túneles y Mecánica de Rocas
Caracas, Mayo 2021

TÚNELES Y MECÁNICA DE ROCAS
Prof. Arcia Surisaday
1. INTRODUCCIÓN:
a) Roca matriz + discont = macizo
rocoso
b) Análisis macizos: leyes de
material + problema de
contorno.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
 Blyth, F., de Freitas, M. 1984. A Geology for Engineers.
Ed. Arnold.
 Ferrer, M; González de Vallejo, L. 1999. Manual de
Campo para la descripción y caracterización de
macizos rocosos en afloramientos. Instituto
Tecnológico Geominero de España.
 González de Vallejo, L. 2002. Ingeniería Geológica. Ed.
Prentice Hall.
 Waltham, A. C. 1994. Foundations of Engineering
Geology. Ed. Blackie Academic & Professional.
 López Marinas, J.M. Geología aplicada a la Ingeniería
Civil. Edit. Cie-Dossat.
 Monroe, J.S., Wicander, R. & Pozo, M. Geología.
Dinámica y evolución de la Tierra. 2008

PROPIEDADES DE LA ROCA INTACTA

PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES
Controlan las características resistentes y
de deformación 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 MECÁNICAS
1. Resistencia a la Compresión
Simple.
2. Resistencia a la tracción.
3. Velocidad de propagación de las
ondas elásticas.
4. Resistencia.
5. Deformación.

MECÁNICA DE ROCAS
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.

MECÁNICA DE ROCAS
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,
terraplenes, rellenos, etc).

MECÁNICA DE ROCAS
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.

MECÁNICA DE ROCAS
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.

MECÁNICA DE ROCAS
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.

1. PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE
ORIGEN FÍSICO
a) Formación de hielo.
b) Insolación.
c) Formación de sales.
d) Hidratación.
e) Capilaridad.
Meteorización de los Materiales Rocosos

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

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.

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.
EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE
LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS
ROCOSOS

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.
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.
Dependiendo de sus características y
condiciones, la masa rocosa puede variar de
una mina a otra, como también de área en
área dentro de una misma mina.
Con el paso del tiempo crecen las labores
mineras y el minado se realiza a mayores
profundidades, desarrollándose así diferentes
problemas de inestabilidad en la roca.

Conocer la roca permitirá tomar
decisiones correctas sobre diferentes
aspectos relacionados con las labores
mineras, entre otras, se podrá establecer
la dirección en la cual se deben avanzar
las excavaciones, el tamaño de las
mismas, el tiempo de exposición abierta
de la excavación, el tipo de sostenimiento
a utilizar y el momento en que éste debe
ser instalado.

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
deformación.
MATRIZ ROCOSA

MATRIZ ROCOSA

1.Definición de macizo rocoso.
Conjunto formado por la matriz rocosa (roca
intacta) + discontinuidades
Estudio individualizado de sus propiedades y
de su efecto en obra:
Matriz rocosa:
- Caracterización mineralógica.
- Resistencia y deformación.
- Grado de meteorización.
- Porosidad y permeabilidad primaria.
discontinuidad
es
MACIZO ROCOSO

discontinuidad
es
Caracterización del Macizo Rocoso
Fase inicial de una obra => caracterización del
macizo rocoso.
Clasificaciones geotécnicas => Bieniawski en
1979 (Rock Mass Ratio, RMR).
Análisis, caracterización y aproximación semi-
cuantitativa a la calidad del macizo rocoso =>
RMR (Rock Mass Ratio) = valoración de las que
se deduce una calidad:
 Muy buena
 Buena
 Aceptable
 Mala
 Muy mala

discontinuidad
es
Caracterización del Macizo Rocoso
Funciones:
 Útil cuando el sustrato es roca o “suelos duros”.
 Valora las propiedades de la matriz rocosa y de
las discontinuidades por separado pero la
clasificación es conjunta.
 Permite delimitar zonas con diferentes
propiedades.
 Permite delimitar zonas con diferente calidad del
macizo rocoso.
 Permite identificar zonas que requieren
tratamiento para mejorar sus propiedades.
 Amplia aplicabilidad: taludes de carreteras,
interior de túneles, excavaciones profundas,
cerradas de presas, cimentación, etc.
 Ingeniería Civil y Minería.

Dependiendo de sus características y
condiciones, la masa rocosa puede
variar de una mina a otra, como
también de área en área dentro de una
misma mina.
Con el paso del tiempo crecen las
labores mineras y el minado se realiza
a mayores profundidades,
desarrollándose así diferentes
problemas de inestabilidad en la roca.

Conocer la roca permitirá tomar
decisiones correctas sobre diferentes
aspectos relacionados con las labores
mineras, entre otras, se podrá
establecer la dirección en la cual se
deben avanzar las excavaciones, el
tamaño de las mismas, el tiempo de
exposición abierta de la excavación, el
tipo de sostenimiento a utilizar y el
momento en que éste debe ser
instalado.

DEFORMACIÓN DEL MACIZO ROCOSO
Comportamiento mecánico de las rocas
sometidas a esfuerzos.
Esfuerzos tectónicos => deformación de las
rocas dando lugar a distintas estructuras.
a) La magnitud de los esfuerzos.
b) Comportamiento de mecánico de las
rocas:
Frágil (mayoritario entre las rocas
expuestas en superficie o a escasa
profundidad): Fallas – diaclasas.

La deformación de la roca es proporcional al
esfuerzo y cuando el esfuerzo supera su
resistencia (límite elástico) se rompen. Si dicho
límite no es superado, al relajarse los esfuerzos
se recupera la forma inicial.
Dúctil (sales, yesos, arcillas o cualquier otra a
cierta profundidad): Plegamiento
La deformación no es proporcional al esfuerzo
y superado el límite plástico la deformación
continua sin incremento de esfuerzo. No se
recupera la forma original => deformación
permanente

MACIZO ROCOSO
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

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

Naturaleza Discontinua de Las Rocas

DISCONTINUIDADES
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
matriz rocosa
(roca intacta)
Discontinuidades:
- Resistencia a
tracción.
- Orientación respecto
al desarrollo de la
obra (por ejemplo
excavación de un
talud).
- Densidad de
fracturación y
permeabilidad
secundaria.
MACIZO ROCOSO

discontinuidad
es
Parámetros de Clasificación:
1. Resistencia de la matriz rocosa.
2. Fracturación del macizo rocoso:
determinación índice RQD (rock quality
design).
3. Separación o espaciado entre
discontinuidades.
4. Estado de las discontinuidades.
5. Circulación de agua.
6. Corrección por la orientación de
discontinuidades.

discontinuidad
es
Parámetros de Clasificación:

Distancia que existe entre dos planos de discontinuidad
consecutivos y de una misma familia, medida en dirección
perpendicular a dichos planos. El espaciado define el tamaño del
bloque de matriz rocosa así como una referencia al grado de
fracturación.
Separación o espaciado entre diaclasas

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.

ESPACIADO O ESPACIAMIENTO

ESTADO DE LAS DIACLASAS

ESTADO DE LAS DIACLASAS
Rugosidad + apertura + ausencia/presencia
de relleno.
Situación más desfavorable discontinuidad
lisa, con gran apertura y con presencia de
relleno arcilloso expansivo.
Circulación de agua a través de las
discontinuidades. Agua freática.
Indicativo la meteorización sufrida por la
roca así como el efecto lubricante del agua.
Según el tipo de obra, este parámetro puede
ser interpretado y calibrado de forma
diferente.

AGUA FREÁTICA

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

RUGOSIDAD

Corrección por orientación de las discontinuidades
La orientación de una discontinuidad requiere
la determinación de los siguientes parámetros:
 Dirección del plano (): ángulo formado
entre el norte geográfico y la proyección de
la línea de dirección que representa al plano.
Se entiende por línea de dirección (strike
line) la línea resultante de la intersección
entre el plano de discontinuidad y el plano
horizontal.
 Buzamiento (): ángulo medido en la
vertical entre el plano horizontal que
representa al terreno y la línea de máxima
pendiente del plano de discontinuidad.

La dirección del plano puede expresarse también
mediante la dirección de buzamiento (dip direction),
entendido este último como el ángulo entre el norte
geográfico y la proyección de la línea de máxima
pendiente sobre el plano horizontal.

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°.

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

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.

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

Discontinuidad
Según Ferrer y González de Vallejo,
1999:
Cualquier plano de origen mecánico
(rotura) o sedimentario en un macizo
rocoso, que normalmente muestra una
resistencia a tracción reducida.
Confieren un comportamiento
discontinuo y no uniforme al macizo
rocoso y en cualquier caso representan
un plano de debilidad.

Discontinuidad
Los principales tipos de discontinuidades
son:
1. Estratificación: superficie de espesor
superior a 1 cm que separa unidades
adyacentes y paralelas, al menos por un
discreto cambio litológico.
2. Laminación: superficie de espesor
inferior a 1 cm.
3. Falla: fractura a lo largo de la cual existe
un desplazamiento relativo de los
bloques.
4. Diaclasa: fractura sin desplazamiento de
los bloques.

Discontinuidad
5. Fisura: fractura sin desplazamiento y
de pequeña extensión. Sin conexión
con otras discontinuidades.
6. Planos de esquistosidad: planos con
espaciado milimétrico de origen
tectónico propios del metamorfismo y
con una disposición perpendicular a
la dirección de los esfuerzos.
7. Plano de deslizamiento: superficie
originada por movimientos de cizalla.

ANISOTROPÍA
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.

ANISOTROPÍA

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.

FALLAS
ZONAS DE CORTE
Son bandas de material que pueden ser de
varios metros de espesor, donde ha ocurrido el
fallamiento.

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

PLANOS DE EXFOLIACIÓN O ESQUISTOSIDAD
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.

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

ORIENTACIÓN

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.

APERTURA

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.

VENILLAS
Son rellenos de las fracturas con otros materiales.

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.

PERSISTENCIA

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.

CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA
 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.

Naturaleza Discontinua de Las Rocas
 Las propiedades del macizo rocoso
están casi siempre determinadas por
las discontinuidades:
• “Lo importante en mecánica de rocas
es lo que no es roca”
 Excepciones:
• Construcciones a gran profundidad
( ≈ 3000 m para rocas dura).
• Rocas blandas (rocas salinas, yeso,
argilitas, limolitas, depósitos
terciarios que se comportan como
suelos)

Naturaleza Discontinua de las Rocas

Clase 5. Parte 1

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