Mecánica de Rocas

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Principios de Mecánica de rocas

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Mecánica de Rocas

  1. 1. Se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de losmateriales rocosos y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno.
  2. 2. Definiendo….. Anisotropía Es el conjunto de presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes como lo son la estratificación, laminación, fami lias de diaclasa, etc. Los macizos poseen esta cualidad.
  3. 3. DiscontinuidadEs cualquier plano de origen mecánico que independiza ysepara a los bloques de matriz rocosa que pertenecen aun macizo rocoso. Por lo general los planos dediscontinuidades presentan nula resistencia a la tracción. La presencia de discontinuidades(fallas, juntas, diques, etc.) ofrece una variedad decaracterísticas en el macizo, pues al estar fungiendo comoseparaciones de los bloques estos sus características ycomportamientos están condicionados por lanaturaleza, frecuencia y orientación de los planosdiscontinuos.
  4. 4. Macizo, masa o medio rocosoEl macizo es un conjunto debloques de matriz rocosa ytambién de las discontinuidadesque afectan a este.Mecánicamente son medios Matriz Rocosadiscontinuos anisótropos y Material rocoso que seheterogéneos. Posee una encuentra exento deresistencia a la tracción nula. discontinuidades también entre estas, se pueden encontrar bloques de roca intactas aisladas. A pesar de que la matriz es considerada un elemento continuo su comportamiento es anisótropo y heterogéneo.
  5. 5. Analiza los procesos asociados a ladeformación de las rocas. Efecto de producen la fuerza en las rocas.Su objetivo: Conocer y predecir el comportamiento del macizo rocoso ante la acción de fuerzas internas y externas que se ejercen sobre él.
  6. 6. Aplicaciones geotécnicas de la descripción y caracterización de macizos rocosos:• Cimentación de edificios.• Estabilidad de taludes: escavados o naturales.• Construcción de muros y anclajes, escolleras.• Terraplenes, pedraplenes y presas de tierra.• Excavaciones a cielo abierto o superficiales.• Excavaciones subterráneas y túneles.• Obtención de materiales de construcción (balasto, macadam, áridos, piedra natural).• Mejora geotécnica de terrenos.• Control de filtraciones y drenajes.
  7. 7. El Material Rocoso Constituye la Estructura Ámbitos de Aplicación de la Mecánica de RocasLas Rocas se La Roca es el Emplean Soporte de como OtraMateriales de EstructurasConstrucción
  8. 8. Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se pueden agrupar en: Aquellos que el material rocoso constituye la estructuraexcavación galerías excavación de túneles taludes
  9. 9. Aquellos en que la roca es el soporte de otra estructuras cimentación de edificios cimentaciones de presas
  10. 10. Aquellos en los que las rocas se emplean como materiales de construcción pedrales escolleras rellenos
  11. 11. Las masas rocosas, aparecen en lamayoría de los casos afectadas pordiscontinuidades o superficies dedebilidad que separan bloques dematriz rocosa o roca intactaconstituyendo en conjunto losmacizos rocosos. La finalidad de la mecánica de rocas es conocer y percibir el comportamiento de lo materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.
  12. 12. Mecánica de rocas• Teórica : – Geología: petrología, geología estructural, estratigrafía, mineralogía. – Física de las rocas: resistencia de materiales, energía de deformación.• Práctica: – Ingeniería geológica: prever comportamiento de las rocas y prevenirlos (taludes, cimentaciones, túneles) – Minería – Recursos energéticos – Sismicidad
  13. 13. Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre ella se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.
  14. 14. A nivel de macizo rocoso las deformaciones y roturas se suelen producir a favor de los planos de discontinuidad.
  15. 15. A nivel microscópico…las partículas minerales sufrendesplazamientos y pueden generarplanos de fractura como respuestaal nuevo estado de tensiones.
  16. 16. El conocimiento de las tensiones y las deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso su comportamientomecánico 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 depende de las propiedades de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.
  17. 17. Las propiedades físicas controlan las características resistentes y deformaciones de la matriz rocosaSon el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicosy tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.
  18. 18. Recordando….. Densidad Las propiedades Físicas de las Rocas Composición Mineralógica AlterabilidadPorosidad Estructura y fábrica Dureza Permeabilidad
  19. 19. Caracterización del macizo rocosoLos aspectos que deben describirse en el camposon: – Identificación – Meteorización o Alteración – Resistencia a compresión simple
  20. 20. IdentificaciónLa identificación de visu de una roca se establece apartir de su composición y de su textura orelaciones geométricas de sus minerales.Observaciones generales sobre el macizo rocoso: – Composición mineralógica – Forma y tamaño de los granos – Color y Transparencia – Dureza
  21. 21. Control geológico dela propiedades de lamatriz rocosa y delmacizo rocoso.
  22. 22. ResistenciaLa resistencia de la matriz rocosa puede serdeterminada por ensayos simples de campocomo: – Ensayo de carga puntual ( PLT) – El martillo de Schmidt
  23. 23. MeteorizaciónEI grado de meteorización de la roca es unaobservación importante en cuanto quecondiciona de forma definitiva sus propiedadesmecánicas. Según avanza el proceso demeteorización aumentan laporosidad, permeabilidad y deformabilidad delmaterial rocoso, al tiempo que disminuye suresistencia.
  24. 24. DiscontinuidadesLas discontinuidades condicionan de una formadefinitiva las propiedades y el comportamientoresistente, deformacional e hidráulico de losmacizos rocosos. La resistencia al corte de lasdiscontinuidades es el aspecto más importanteen la determinación de la resistencia de losmacizos rocosos duros fracturados, y para suestimación es necesario definir lascaracterísticas y propiedades de los planos dediscontinuidad.
  25. 25. La descripción y medida de estos parámetrospara cada familia debe ser realizada en campo: – Espaciado – Rugosidad – Resistencia de las paredes – Abertura – Relleno
  26. 26. Espaciado
  27. 27. Rugosidad• La descripción y medida de la rugosidad tiene como principal finalidad la evaluación de la resistencia al corte de los planos.• Puede ser determinada de forma empírica• Métodos más precisos: – Método de Discos – Perfiles Lineales
  28. 28. Relleno• Las discontinuidades pueden aparecer rellenas de un material de naturaleza distinta a la roca de las paredes.• Descripción necesaria para el campo: – Espesor o Anchura – Resistencia al Corte – Permeabilidad – Naturaleza
  29. 29. AberturaEs la distancia perpendicular que separa lasparedes de la discontinuidad cuando no existerelleno .
  30. 30. La respuesta mecánica esta en función de otros factores como lascondiciones hidrogeológicas, las condiciones ambientales, el clima y los fenómenos meteorológicos; que actúan sobre el medio geológico y dan lugar a los procesos de alteración y meteorización, modificando las propiedades iniciales de las rocas y macizos rocosos.
  31. 31. Como vemos el estado y comportamiento mecánico delos macizos rocosos son resultado de la combinación de todos estos factores, con diferente grado de importancia para cada situación.Así, en medios superficiales, la discontinuidad y los procesos de meteorización jugaran un papel muy importante en el comportamiento mecánico de los macizos, mientras que en profundidad será el estado tensional preexistente el mayor condicionante de la respuesta mecánica.
  32. 32. Las obras de ingenieríamodifican el estado tensionalen un tiempo muy corto ypueden tener lugarinteracciones mutuas entre laliberación o redistribución delos esfuerzos naturales y lasestructuras.
  33. 33. Parámetros de la mecánica de rocas• Deformabilidad del macizo rocoso• Relación entre esfuerzo y deformación• Resistencia• Condiciones que producen su ruptura• Estado del esfuerzo en condiciones iniciales• Estado del esfuerzo bajo las solicitaciones aplicadas• Problemas estáticos y dinámicos debido al flujo de agua
  34. 34. Propiedades de la mecánica de rocasLas propiedades más importantes son:• Deformación• Resistencia
  35. 35. Deformación La roca tiende a cambiar de forma o volumen al aplicarle una fuerza. El esfuerzo y la deformación van juntas por lo que se estudia la deformación mediante gráficas del esfuerzo en función de la deformación.
  36. 36. Clasificación de las rocas con respecto a su resistencia a la compresión
  37. 37. Resistencia• Esfuerzo de compresión: tiende a reducir el volumen del material• Esfuerzo de tensión: crea fracturas en el material• Esfuerzo cortante: desplazamiento de una parte de la roca.
  38. 38. Determinación de las propiedades mecánicasConsiste en aplicar a lospedazos de roca cargasaxiales sin confinamiento(figura 6.6 a). Los pedazosson generalmente cilindrosde 2.5 a 7.5 cm dediámetro y de altura igual ados diámetros
  39. 39. Pruebas TriaxialesSimulan el estado de esfuerzos en el que seencontraba la roca en el campo. El estado deesfuerzo es factible de representar con los esfuerzosnormales principales (σ₁, σ₂, σ₃), los cuales sonortogonales entre sí. En los ensayos triaxiales, porsimplicidad, los esfuerzos σ₂ y σ₃ permanecenconstantes.
  40. 40. Ensayo de tensión directaEnsayo de tensión indirecta
  41. 41. Desde comienzos de los años 70 se ha extendido el uso de sistemas de calificación y clasificacióngeotécnica de macizos rocosos, los que emplean uníndice de calidad geotécnica para calificar el macizo rocoso, de acuerdo a esta calificación o “rating”, clasificarlo según su “calidad geotécnica”.
  42. 42. Actualmente los sistemas de calificación y clasificacióngeotécnica de macizos rocosos más usados en la industria minera son los siguientes:
  43. 43. Sistema de Bieniawski o calificación del macizo rocoso según el índice RMR (Bieniawski, 1973)Permite hacer una clasificaciónde las rocas in situ‘, estimar eltiempo de mantenimiento ylongitud de un vano. Consta de un índice de calidad RMR (Rock Mass Ratting), independiente de la estructura, y de un factor de corrección Se utiliza usualmente en la construcción de túneles, de taludes y de cimentaciones.
  44. 44. Clasifica…• La resistencia a compresión simple de la roca.• El RQD (Rock Quality Designation). Es el porcentaje de recuperación de testigos de más de 10 cm de longitud (en su eje) sin tener en cuenta las roturas frescas del El método de clasificación de proceso de perforación respecto Bieniawski se desarrolló para de la longitud total del sondeo. estimar la fortificación de• La separación entre las diaclasas y túneles en función del índice RMR de calidad su estado.• La presencia de agua freática. definido geotécnica, como:
  45. 45. RMR = P(UCS) + P(RQD) + P(s) + P(JC) + P(WC)P(x) Es el puntaje asociado al parámetro x.UCS Es la resistencia en compresión uniaxial de la roca “intacta”, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (si UCS < 1 MPa) a 15 (si UCS > 250 MPa).RQD Es la designación de la calidad de la roca definida por Deere et al. (1967), y el puntaje asociado a la misma puede variar de 3 (si RQD < 25%) a 20 (si 90 < RQD ≤ 100).}S El espaciamiento entre las estructuras, y el puntaje asociado al mismo puede variar de 5 (si s < 60 mm) a 20 (si s > 2 m).JC Es la condición de las estructuras, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (en el caso de estructuras continuas y abiertas más de 5 mm, o con rellenos arcillosos blandos de potencia mayor a 5 mm) a 30 (en el caso de estructuras discontinuas, muy rugosas, cerradas y sin alteración de su roca de caja).WC Es la condición de aguas, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (en el caso de estructuras con flujo de aguas que se traduce en un gasto de más de 125 lt/min en un tramo de túnel de 10 m de longitud, o donde la presión del agua excede el 50% del esfuerzo principal mayor) a 15 (en el caso de estructuras completamente secas).
  46. 46. Sistema de Laubscher o calificación del macizo rocoso según los índices RMR y MRMR El método de clasificación de Laubscher (1975) se desarrolló como una variante del método de Bieniawski orientada a aplicaciones mineras, definiendo la calidad geotécnica del macizo rocoso in situ mediante un índice IRMR 1, que luego se modifica para definir un índice de calidad geotécnico-minera, MRMR (Mining Rock Mass Rating).
  47. 47. El índice IRMR se define como: IRMR = P(BS) + P(JS) + P(JC) JC es la condición de las estructuras, definida en términos de su rugosidad a escala intermedia y menor, de la alteración de la P(x) es el puntaje asociado al parámetro x. roca de caja, y de la potencia y competencia del material de relleno (si lo hay). El puntaje asociado a JC varía de 4 (estructuras planas y BS es la resistencia en compresión uniaxial de pulidas, con rellenos potentes de salbanda y los bloques de roca que conforman el macizo fuerte alteración de la roca de caja) a 40 rocoso; la cual depende de la resistencia de (estructuras ondulosas en varias la roca “intacta” (denominada IRS en el direcciones, bien trabadas, sin alteración de método de Laubscher), y la presencia de la roca de caja y con rellenos de vetillas. El puntaje asociado a BS puede variar competencia similar a la de la roca de caja). de 0 (si BS = 0 MPa) a 25 (si BS ≥ 160 MPa). JS es el espaciamiento de las estructuras abiertas, que incluye una corrección para tomar en cuenta la presencia de uno o dos sets de estructuras selladas (e.g. vetillas) con rellenos de resistencia menor a la de la roca de caja. El puntaje asociado a JS varía de 3 (3 sets de estructuras con un espaciamiento de 0.1 m) a 35 (1 set de estructuras con un espaciamiento de 2 m).
  48. 48. Sistema de Barton o calificación del macizo rocoso según el índice QEl método de clasificación de Barton et al. (1974) se desarrolló para estimar la fortificación de túneles en función del índice Q de calidad geotécnica, definido como: Donde el primer cociente corresponde a una estimación del tamaño de los bloques que conforman el macizo rocoso, el segundo cociente corresponde a una estimación de la resistencia al corte entre bloques, y el tercer cociente representa lo que Barton et al. (1974) denominan esfuerzo “activo”. Los parámetros que definen estos cocientes son:
  49. 49. Ja “Joint Alteration Number”, este coeficiente esta asociado a la condición o grado de alteración de las estructuras presentes en el macizo rocoso que puede variar de 0.75 vetillas selladas en roca dura con rellenos resistentes y no degradables y a 20 estructuras con rellenos potentes deRQD La designación de la calidad arcilla. de la roca definida por Deere, que puede variar de 0 en macizos rocosos de muy mala Jw Es un coeficiente asociado a la condición calidad y a 100 en macizos de aguas en las estructuras presentes en rocosos de excelente calidad. el macizo rocoso “Joint Water Reduction Factor”, que puede variar de 0.05 flujo notorio de aguas, permanente o que noJn Un coeficiente asociado al número de decae en el tiempo y a 1, estructuras secas sets de estructuras presentes en el o con flujos mínimos de agua. macizo rocoso “Joint Set Number”. Este puede variar de 0.5 en macizo masivo o con pocas estructuras y a 20 en roca totalmente disgregada o triturada. SRF “Stress Reduction Factor” es un coeficiente asociado al posible efecto de la condición de esfuerzos en el macizo rocoso , que puede variar de 0.05Jr Coeficiente asociado a la rugosidad concentraciones importantes de esfuerzos de las estructuras presentes en el en roca competente y a 400 potencial macizo rocoso o “Joint Roughness ocurrencia de estallidos de roca. Number”. Puede variar de 0.5 para estructuras planas y pulidas. A 5 en estructuras poco persistentes espaciadas a más de 3 m.
  50. 50. Todos estos sistemas se desarrollaron con el propósito de evaluar la condición de estabilidad y requerimientos de fortificación de excavacionessubterráneas, y califican el macizo rocoso considerando básicamente tres parámetros:
  51. 51. Parámetro A: En general no se explicita si se trata de una definición en términos de esfuerzos efectivos o totales que definen un “esfuerzoLa resistencia de los bloques activo”, pero comúnmente de roca que conforman el se supone que se trata de macizo rocoso (la esfuerzos efectivos. resistencia de la roca, no del macizo rocoso), en términos de su magnitud absoluta o bien en términos de su magnitud relativa respecto al estado tensional in situ e inducido.
  52. 52. Parámetro B La “blocosidad” del macizorocoso, definida en formaindirecta mediante variablesasociadas al grado defracturamiento y/oespaciamiento de lasestructuras del macizo rocoso.
  53. 53. Parámetro C: La condición de las discontinuidades que definen los bloques y, al mismo tiempo, la condición de contacto entre éstos. Definida considerando una serie de variables geológico- geotécnicas de tipo cualitativo. El método del índice de resistencia geológica se desarrolló con el propósito de escalar la resistencia del macizo rocoso, definida de acuerdo al criterio de Hoek-Brown. Conforme con esto, este método solo considera los parámetros B (blocosidad del macizo rocoso) y C (condición de las discontinuidades) e ignora el parámetro A, ya que la resistencia de la roca es parte de la información de entrada en el criterio de Hoek-Brown.
  54. 54. Conforme con lo anterior, puede señalarseque estos métodos se han desarrolladosuponiendo que el macizo rocoso seencuentra fracturado o intersectado pordiscontinuidades que definen bloques Por lo tanto, el caso de unque, implícitamente, no conforman un macizo rocoso masivoconjunto masivo. corresponde a una condición extrema para estos métodos y, por lo tanto, a veces difícil de calificar con el detalle suficiente que permita diferenciar entre distintos tipos litológicos.
  55. 55. Método del índice de resistencia geológica, GSI (Hoek, 1994) El índice de resistencia geológica GSI, fue desarrollado por Hoek (1994) para subsanar losproblemas detectados con el uso del índice RMR para evaluar la resistencia de macizos rocosos según el criterio generalizado de Hoek-Brown
  56. 56. Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:RMS es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón. JC Es la condición de las estructuras presentes en el macizo rocoso.
  57. 57. La evaluación del GSI se hace por comparación del caso queinteresa con las condiciones típicas, y el mismo puede variar de0 a 100, lo que permite definir 5 clases de macizos rocosos:· Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 £ GSI £ 20).· Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 <GSI £ 40).· Macizos de calidad REGULAR (Clase III, 40 <GSI £ 60).· Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 <GSI £ 80).· Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 <GSI £ 100)
  58. 58. Respecto al uso del índice GSI para caracterizar geotécnicamente el macizo rocoso, esconveniente indicar lo siguiente:1.- No es aplicable en aquellos casos en que el comportamiento del macizo rocosopresenta un claro control estructural. De hecho, cuando el macizo presenta solo dos setsde estructuras el criterio de Hoek-Brown (para el cual fue desarrollado el GSI) debeaplicarse con mucho cuidado.2.- No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que alevaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio deHoek-Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”).3.- No considera el espaciamiento entre estructuras, ya que éste está implícitamenteincluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a mayor espaciamiento el macizo esmás masivo y a menor espaciamiento es de mayor blocosidad).4.- No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek-Brown se define entérminos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”).El índice GSI debe definirse en un rango y no como un valor específico. En la práctica esusual definir un rango de unos 15 puntos.
  59. 59. Primer procedimientoSe calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos .A partir de los testigos obtenidos en la exploración.Medida del RQD en testigos de Exploración 150Se deben incluir los discos del núcleo ocasionados = Suma de la longitud de testigos superiores a 10 cm = Longitud total de sondeo
  60. 60. • (RQD) Rock Quality Designation• Desarrollado por Deere entre 1963 y 1967• Varios tipos de procedimientos
  61. 61. Segundo procedimiento Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras por metroRQD Determinado en el campo por el área de Geotecnia,en un tramo longitudinal de pared expuestaRQD = 100 (-0.1 ) x (0.1 1 + ) Donde: = Nro. De Fisuras / Espacio
  62. 62. Tercer procedimiento Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras por metro cúbicoEjemplo:si una fisura corta al eje x y al eje y, la contaremos bien en el eje x oen el eje y pero no en ambos.Para tener una mayor precisión, mediremos una longitud adecuadaen cada eje y luego hallaremos el número de fisuras en un solo metro, haciendo una regla de 3simple. Jv(eje)=(# de fisuras / longitud del eje) (Jv)== Joint Volumétric number (Detail line)
  63. 63. Porcentaje de RQD Comparativa RQD Rock mass quality<25% muy pobre25-50% pobre50-75% normal75-90% bueno90-100% muy bueno
  64. 64. Recuperación de un sondeosondeos en suelo es un parámetro muy útilsondeos en roca Don U. Deere definió entre 1963 y 1967 su RQD, o Rock Quality Designation
  65. 65. UsosGeotecnia ( mas comodo y facil de usar)RQD pasó a formar parte de lasclasificaciones geomecánicas más habituales …que sea más o menos exacto, ya es otro tema…
  66. 66. Desventajas• No sirve para suelos• Se desarrolló para rocas ígneas• No debe tenerse en cuenta en el caso de roturas por desecación, retracción o tensiones longitudinales• Depende de la dirección del sondeo• Hay que saber usarlo con precaución
  67. 67. BibliografíaGonzalez de Vallejo, L. I. (2004). IngenieriaGeologica. España: Person Educacion.Lopez Marino, J. M. (2006). Geologiaaplicada en la ingenieria civil. España:Editoriales Dossat.Ruiz V. , Gónzalez H. (2002). GeologíaAplicada a la Ingeniería Civil .México:Limusa.

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