Cap.1- Introduccion Mecanica de Rocas

Curso: geologa aplicada

CAPITULO I: INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASDocente: Ing. Hernan Fernandez Galvez

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFacultad de INGENIERA

Escuela Acadmico Profesional de INGENIERA HIDRULICA

Captulo I: Introduccin a la mecnica de Rocas

1.1 Introduccin, conceptos generales.

1.2 Introduccin a la mecnica de Rocas

1.3 Deformacin de las Rocas.

1.4 Cargas y esfuerzos que estn sometidas las rocas.

1.5 Modulo de elasticidad.

1.6 Esfuerzo de trabajo de las rocas.



MECNICA DE ROCAS

PROPSITO. Impartir los conocimientos y las herramientas declculo necesarios para llevar a cabo de manera racional y eficiente

las mencionadas tareas del diseo geotcnico.



MACIZOS ROCOSOS?



Introduccin a la mecnica de rocas.

Discontinuidades: Es cualquier plano de origen

mecnico o sedimentrio 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 ROCOSADISCONTINUIDADES

La Mecnica de Rocas se encarga

del estudio terico y prctico de

las propiedades y comportamiento

mecnico de los materiales

rocosos, y de su respuesta ante la

accin de fuerzas aplicadas en su

entorno fsico.

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



La finalidad de la Mecnica de Rocas es conocer y

predecir el comportamiento de los materiales rocosos

ante la actuacin de las fuerzas internas y externas

que se ejercen sobre ellos.



Los distintos mbitos de aplicacin de la mecnica de rocas se

agrupan en:

1) Cuando el material rocoso

constituye la estructura

(excavaciones de tneles,

galeras, 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

construccin (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 deformndose y/o

rompindose.



El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a

soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite

evaluar su comportamiento mecnico y abordar el diseo de estructuras y

obras de ingeniera.



La relacin entre ambos parmetros describe el comportamiento de los diferentes tipos

de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades fsicas y mecnicas de

los materiales y de las condiciones a que estn sometidos en la naturaleza.



DEFORMACIN 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

Avin, edificio.)desplazamientos que estn asociados a unos esfuerzos y

unas

condiciones de contorno

El ingeniero prev que le ocurrir a la estructura (en este caso artificial

(embalse, edificio.) o modificada (talud) cuando se la someta a esfuerzos



FACTORES PRINCIPALES QUE CONTROLAN LA DEFORMACIN

DE LAS ROCAS



El comportamiento tensin deformacin, o esfuerzo deformacin, de un cuerpo viene defino por la relacin 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 aplicacin de la carga.

Relaciones tensin - deformacin



Modelos de comportamiento tensin - deformacin de las rocas

El comportamiento de las rocas puede clasificarse de forma general y simplificada

en:

Frgil, con deformaciones elsticas tpico de rocas duras y resistentes Frgil - dctil: con deformaciones elsticas y plsticas no recuperables; tpico

de rocas blandas poco resistentes

Dctil, con deformaciones plsticas predominantes (permanentes)

FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1. La Litologa y propiedades de la matriz rocosa.

2. La estructura geolgica y las discontinuidades.

3. El estado de esfuerzos a que est sometido el material.

4. El grado de alteracin o meteorizacin.

5. Las condiciones Hidrogeolgicas.



METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS

1. PROCESOS DE METEORIZACIN DE ORIGEN FSICO

a) Formacin de hielo

b) Insolacin

c) Formacin de sales

d) Hidratacin

e) Capilaridad



2. PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN

QUMICO

a) Disolucin

b) Hidratacin

c) Hidrlisis

d) Oxidacin y Reduccin

METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS



EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS

PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

El agua como material geolgico coexistente con

las rocas influye en su comportamiento mecnico

y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas



Los efectos ms 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 meteorizacin qumica y fsica en la matriz rocosa y en los macizos

rocosos

6) Es un agente erosivo

7) Produce reacciones qumicas que pueden dar lugar a cambio en la

composicin 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 ser muy rpido.

La presencia de agua en las fallas geolgicas y zonas de corte, influye

significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavacin.



CLASIFICACIN DE LOS MACIZOS

ROCOSOS

Los macizos rocosos se clasifican basados

en factores que determinen su

comportamiento mecnico.



CLASIFICACIN DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1) Propiedades de la matriz rocosa.

2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:

- El grado de fracturacin (ndice RQD)

- El tamao y la forma del macizo.

- Sus propiedades hidrogeolgicas.

3) Grado de Meteorizacin o Alteracin.

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 heterogneo y

anistropo ligado a su fbrica y a su microestructura

mineral. Mecnicamente queda caracterizada por su

peso especfico, 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.

Mecnicamente los macizos rocosos son medios discontinuos,

anistropos y heterogneos. Prcticamente pueden considerarse

que presentan una resistencia a la traccin nula.

MACIZO

ROCOSO



DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIN DESDE LA ROCA INTACTA

HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.



Su reconocimiento, descripcin y caracterizacin es fundamental

para el estudio del comportamiento mecnico e hidrogeolgico del

macizo rocoso.

DISCONTINUIDADES





Discontinuidades

La mayora de los problemas de estabilidad se deben a la interseccin de la seccin del tnel

con planos de discontinuidad

Se distinguen las

discontinuidades de tipo

singular. Las diaclasas,

planos de estratificacin y de

esquistosidad pertenecen al

primer grupo, y estn

presentes prcticamente en

todas las rocas, con mayor

incidencia en zonas poco

profundas, donde los

procesos de meteorizacin y

circulacin de agua y los

rellenos arcillosos son mas

frecuentes. A grandes

profundidades la presin

confinante hace que la

apertura de las

discontinuidades sea menor

pudiendo llegar a estar muy

cerradas.

Son cualquiera de los planos de origen mecnico o sedimentario que

independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo

rocoso. Generalmente la resistencia a la traccin de los planos de

discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecnico queda

caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del

material de relleno.

Dependiendo de cmo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales

dentro de la masa rocosa, sta tendr un determinado comportamiento frente a las

operaciones de minado.

DISCONTINUIDADES



La presencia de planos de debilidad de orientaciones

preferentes (estratificacin, laminacin, familia de

diaclasas, tectnicas) implica diferentes propiedades y

comportamiento mecnico en funcin de la direccin

considerada. Tambin la orientacin de los esfuerzos que

se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una

anisotropa 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 ESTRATIFICACIN

Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.



Son fracturas que han tenido

desplazamiento. stas son

estructuras menores que se

presentan en reas 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



Tambin denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las

que ms comnmente se presentan en la masa rocosa

DIACLASAS



PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD

Se forman entre las capas de las rocas metamrficas dando la

apariencia de hojas o lminas.



CONTACTOS LITOLGICOSCuando comnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.



VENILLASSon rellenos de las fracturas con otros materiales



PLIEGUESSon estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados



DIQUESSon intrusiones de roca gnea de forma tabular, que se presentan

generalmente empinadas o verticales o subverticales.



PROPIEDADES DE LAS

DISCONTINUIDADES



ORIENTACIN



Es la posicin de la discontinuidad en el espacio y comnmente es descrito

por su rumbo y buzamiento.

Cuando un grupo de

discontinuidades se

presentan con similar

orientacin o en otras

palabras son

aproximadamente

paralelas, se dice que

stas forman un

sistema o una familia de discontinuidades.

ESPACIADO



Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. ste determina el

tamao de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques

sern ms pequeos y cuanto ms espaciado tengan, los bloques sern ms grandes.

PERSISTENCIA



Es la extensin en rea o tamao de una discontinuidad.

Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa ser ms estable y cuanto

mayor sea sta, ser menos estable.

RUGOSIDAD



Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto

menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa ser menos

competente y cuanto mayor sea sta, la masa rocosa ser ms competente

APERTURA



Es la separacin entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado

de abierto que sta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa

rocosa sern mejores y a mayor apertura, las condiciones sern ms

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 stos

son ms duros, sta es ms competente.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES



REPRESENTACIN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES



CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA

De acuerdo a cmo se presenten las caractersticas de la masa rocosa,

sta tendr un determinado comportamiento al ser excavada.



Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades

favorables, la masa rocosa ser competente y

presentar condiciones favorables cuando sea

excavada.

Si la roca intacta es dbil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades

desfavorables, la masa rocosa ser incompetente

y presentar condiciones desfavorables cuando

sea excavada.

Habr situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca

tendr condiciones regulares cuando sea

excavada.

CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de

clasificacin geomecnica 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, estn los criterios RMR (Valoracin de la

Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (ndice de Resistencia

Geolgica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan

utilizando los datos de los mapeos geomecnicos 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 PERFORACIN DIAMANTINA



3.El espaciamiento de las

discontinuidades.

4.La condicin de las discontinuidades,

referidas en este caso a la persistencia,

apertura, rugosidad, relleno y

meteorizacin.

5.La presencia de agua.

EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI



PROPIEDADES DE LA

MATRIZ ROCOSA



PROPIEDADES FISICAS

Controlan las caractersticas resistentes y

deformacionales de la matriz rocosa, y son el

resultado de la gnesis, condiciones y procesos

geolgicos y tectnicos sufridos por las rocas a

lo largo de su historia.



1.Composicin Mineralgica

2.Fbrica, textura

3.Porosidad

4.Peso Especfico

5.Contenido de humedad

6.Permeabilidad

7.Durabilidad (Alterabilidad)

PROPIEDADES FSICAS NDICES



PROPIEDADES MECANICAS

1.Resistencia a la Compresin Simple

2.Resistencia a la traccin

3.Velocidad de propagacin de las ondas elsticas

4.Resistencia

5.Deformabilidad



En el comportamiento mecnico de los macizos rocosos

influyen adems las Caractersticas Geolgicas:

1) Litolgicas

2) Estratigrafa

3) Estructura Geolgica

4) Discontinuidades tectnicas o Diagnicas

5) Estados de esfuerzos In Situ


Escuela Acadmico Profesional de INGENIERA HIDRALICA

ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES

La roca puede ser minada con mayor seguridad

en una direccin que en otra, la

direccin preferencial de avance de la excavacin

es determinada por el rasgo

estructural dominante de la masa rocosa.



Minar en la direccin preferencial de

avance, significar tener condiciones ms

ventajosas para la estabilidad de la

excavacin. Contrariamente, minar en la

direccin de avance menos favorable,

puede alterar o debilitar la estabilidad de la

masa rocosa durante la vida de la mina,

representando peligro de cada de rocas.

ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES



Si una excavacin 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 sern

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

excavacin, las mismas que presentan inestabilidad.



En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca

es una constante

preocupacin, particularmente si la excavacin avanza

cerca de una falla

geolgica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el

rea ubicada entre la

falla y la excavacin 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 excavacin 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

excavacin, las mismas que presentan buena estabilidad.



El principio sealado tambin es aplicable al caso de

cuas biplanares, no siendo recomendable que el eje

de la excavacin sea paralelo a la cua biplanar, sino

que la excavacin atraviese la cua, es decir, que el

rumbo de la cua sea perpendicular al eje de la

excavacin, en este caso, las mismas familias de

discontinuidades permitirn el autosostenimiento de la

excavacin



En lo posible, la excavacin debe atravesar la cua



As mismo, el mencionado principio tambin

es aplicable al caso de labores mineras en

zonas de pliegues con anticlinales y

sinclinales. En este caso, la ubicacin y

direccin de avance de las excavaciones

influirn en las condiciones de

estabilidad de las excavaciones.



En general, las labores cuyo

avance es perpendicular a los

ejes de los plegamientos,

presentarn mejores

condiciones de estabilidad

respecto a las orientadas en

forma paralela a los ejes,

siendo las ms desfavorables

las paralelas a los ejes de los

sinclinales por la

concentracin de los flujos

de agua y de los esfuerzos.



Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de tneles

y galeras para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una

mina.

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

desfavorables. A) Tramo de galera de condiciones favorables; B) Tramo de

condiciones desfavorables.





Al definir un volumen de macizo rocoso, implcitamente estamos tambin

definiendo el tamao de los trozos de roca y de las estructuras que conforman este volumen a estudiar

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