Mecánica de Rocas

Escuela Superior Politécnica del Litoral Carrera:

Ingeniería Civil Materia:

Geotecnia Básica Tema:

Mecánica de Rocas Autor:

Pedro Quesada Gutiérrez Profesor:

Msc. Gastón Proaño C. Fecha:

13 de diciembre del 2012

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Contenido GENERALIDADES ........................................................................................ 4 OBJETIVOS.................................................................................................. 5 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 6 HISTORIA DE LA MECÁNICA DE ROCAS ....................................................... 7 LA MECÁNICA DE ROCAS “COMO TAL”:.................................................... 16 MARCO TEORICO...................................................................................... 19 DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE LAS ROCAS ........... 19 1. MECANICA DE ROCAS ................................................................... 19 2. ROCAS .......................................................................................... 20 3. PROPIEDADES FISICAS DE LA MATRIZ ROCOSA ............................. 21 CLASIFICACION DE ROCAS CON FINES GEOTECNICOS ....................... 22 Fuerzas y tensiones ..................................................................................... 22 Resistencia y rotura Conceptos básicos .................................................... 23 Mecanismos de rotura...................................................................... 24 RELACIONES TENSIÓN-DEFORMACIÓN EN LAS ROCAS ......................... 26 Resistencia y parámetros resistentes ................................................... 27 Deformabilidad .................................................................................... 27 Ensayos de laboratorio de resistencia y deformabilidad .......................... 28 Ensayo uniaxial o de compresión simple .............................................. 29 Ensayo de compresión triaxial .............................................................. 30 PROCEDIMIENTO .............................................................................. 30 ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA TRACCION ........................................... 31 A.- ENSAYO DE TRACCION DIRECTA .................................................. 31 A.- ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA Ó BRASILEÑO ........................ 32 Velocidad de ondas sónicas .............................................................. 32 Limitaciones de los ensayos de laboratorio .............................................. 33

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Discontinuidades ...................................................................................... 34 Influencia en el comportamiento del macizo rocoso ............................ 34 Tipos de discontinuidades ....................................................................... 34 MATRIZ ROCOSA ...................................................................................... 35 DISCONTINUIDADES ............................................................................. 35 PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES .......................................... 36 CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO......................... 36 LA DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS ............................................................ 43 Tipos de deformación ........................................................................... 43 Pliegues ................................................................................................ 44 Tipos de pliegues .................................................................................. 46 Asociaciones de pliegues ...................................................................... 47 Elementos geométricos de las fallas ..................................................... 48 Tipos de fallas....................................................................................... 49 Diaclasas............................................................................................... 49 Estructuras mixtas ................................................................................ 50 APLICACIÓN DE LA MECANICA DE ROCAS EN EL DISEÑO DE TUNELES ...... 51 CONCLUSIONES ........................................................................................ 58 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS................................................................. 58

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GENERALIDADES Cuando se diseñan labores mineras subterráneas y superficiales para propósitos de explotación de un yacimiento minero, se ponen de manifiesto una serie de condicionantes y problemas que se relacionan con el comportamiento mecánico del macizo rocoso que deben de tomarse en cuenta o estudiarse a fin de hacer más racional dicha actividad minera. Según la “Comisión sobre mecánica de las rocas, Academia Nacional de Ciencias”, la mecánica de las rocas es una ciencia teórica y aplicada que estudia el comportamiento físico de las rocas sometidas a condiciones de esfuerzo de diversos orígenes por lo tanto estudia las propiedades y comportamiento mecánico, con el fin de diseñar y construir con criterios de ingeniería. Esta ciencia pone de relieve los puntos que se han de considerar para evitar o al menos paliar en lo posible el resultado de las fuerzas que se promueven al alterar el equilibrio del macizo rocoso en el que se ejecuta las labores mineras subterráneas y superficiales, este macizo, es un material muy complejo cuyas composiciones variadas, discontinuidades estructurales, distribución de presiones, complicadas por la presencia del agua, las vibraciones sísmicas debido a la tronadura o sismos terrestres, etc.; hacen que sea un autentico mosaico de problemas técnicos. La caracterización del comportamiento mecánico de la masa rocosa se determina mediante los ensayos de laboratorio y ensayos in-situ, cuyo objetivo es la determinación de las propiedades físico-mecánicas de la roca y minerales y el monitoreo de la masa rocosa, trabajo que realiza ROCKTEST para cubrir esta necesidad en el ámbito minero. Durante la visita realizada en Calama a Rocktest nos mostro y explicó procedimientos de los diferentes ensayos y la implementación de un sistema de control instrumental la que se encuentra detallada en el informe. Del empleo de la Tecnología que la mecánica de rocas pone a nuestra disposición podemos sacar una rotunda y probada afirmación: Racionar el diseño; Dar seguridad a la ejecución de labores mineras, personal e infraestructura, facilitar el control de la ejecución de las labores mineras, al actuar con datos reales, los costos de operación minera, redundando todo esto en el aumento de la productividad, bajos índices de accidentes - control y mayor conservación del medio ambiente. La mecánica de rocas y la geotécnica son aspectos fundamentales para un desarrollo eficaz y una operación segura de minas.

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OBJETIVOS  Definir la mecánica de rocas según lo establecido por la sociedad internacional de Mecánica de Rocas (ISRM).  Enumerar los campos reales de aplicación práctica de la mecánica de rocas según la tendencia de los últimos cuarenta años.  Enumerar en orden jerárquico las materias tradicionales la mecánica de rocas deriva y con las cuales mantiene conexiones directas y campos comunes de aplicación.  Enumerar, describiendo sus peculiaridades principales, los principales métodos y metodologías de análisis, estudio y diseño que se utilizan en la mecánica de rocas  Comprender la estructura general básica de rocas y suelos, como también su comportamiento frente a diferentes solicitaciones, definido mediante las diferentes metodologías y ensayos que le permitan determinar correctamente propiedades del suelo necesarias para su identificación en un proyecto de ingeniería práctica.

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JUSTIFICACIÓN Teniendo presente las innovaciones en la mecánica de rocas cada vez más se restringe con el avance de la GEOMECANICA, estas manifestaciones se ven con bastante claridad en Europa sobre en las investigaciones científicas que se desarrollan sobre en S.E.M.R. y si observamos estos avances en muchos país estos avances se consolidan aun con mayor énfasis, este concepto ya totalmente definido es de bastante aplicación los cuales incluyen la aplicación de la litología estructural regional local, la textura del macizo, la resistencia del macizo, el comportamiento tenso deformacional del macizo antes y después de las excavaciones, buscar la estabilidad del macizo con la aplicación de la GEOMECANICA, lo que se puede mencionar es de que la mecánica de rocas es una parte de la geomecánica centrándose cada vez más en el aspecto meramente de laboratorio, lógicamente constituye parte fundamental de la geomecánica todos ellos consolidan a la GEOTECNIA referidos al estudios de suelos y rocas

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HISTORIA DE LA MECÁNICA DE ROCAS La comprensión de la mecánica de rocas, como hoy es conocida se inició a comienzos del siglo XVIII, cuando la física y las matemáticas habían alcanzado un importante desarrollo y permitían conceptualizar modelos físicos. Pero para nuestros antecesores nunca fue un obstáculo desconocer los principios físicos básicos que rigen el comportamiento del suelo y de los materiales geológicos. Un importante ejemplo de ello es la construcción de túneles, que había alcanzado un desarrollo muy notable antes de que se acuñaran incluso los términos de mecánica de rocas o de que se celebraran formalmente los primeros congresos internacionales sobre estas teorías emergentes. La construcción de monumentales obras requiere algo de ingenio, audacia e ingenuidad.

MAUSOLEO DE HALICARNASO, CONSTRUIDO POR PYTHEOS (GRECIA)

En el siglo XVIII ocurrió en Europa una gran erupción del desarrollo científico. En Francia e Inglaterra, el estudio del suelo era fundamentalmente agrícola y químico, mientras en Alemania y sobre las bases proporcionadas por la Geología, aparece una escuela para estudiar, definir e inventariar los suelos.

JOHN SMEATON (1724-1792)

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Una teoría sobre la génesis del suelo de la época indicaba que: “Los suelos se originan por alteración “in situ” de las rocas o por depósito de materiales alterados después del transporte” los integrantes de esta escuela consideran que el suelo es el horizonte superior de las rocas, dando a la palabra horizonte el significado de capa.

KARL TERZAGHI (1883-1963) PADRE DE LA MECÁNICA DE SUELOS

La ingeniería geotécnica moderna fue desarrollada en la segunda mitad del siglo XX, construida a partir de la obra de Karl Terzaghi, quien expuso la filosofía de la Mecánica de Suelos en 1925. La mecánica geotécnica clásica comenzó en 1773 con la introducción de la mecánica a los problemas del suelo por Charles de Coulomb. Utilizando las leyes de la fricción y la cohesión para determinar la verdadera superficie de deslizamiento detrás de un muro de contención (introdujo los conceptos de resistencia friccionante y cohesiva de los cuerpos sólidos que asumió aplicables a cuerpos granulares incluidos aquí los suelos), Coulomb inadvertidamente definió un criterio de falla para el suelo. Combinando la teoría de Coulomb con la de Christian Otto Mohr (teoría de ruptura y círculo de esfuerzos, 1871) de un estado de esfuerzos en 2D, se desarrolló la teoría de MohrCoulomb, una construcción gráfica muy útil todavía utilizada hoy en día para determinar la resistencia al corte de los suelos y rocas.

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CHARLES AUGUSTINE COULOMB (1736-1806)

El estudio del manejo de las rocas por parte del hombre (conocido como mecánica de rocas por que dio lugar al desarrollo de instrumentos y técnicas para su práctica), es más antiguo que la civilización misma. Hace más de 10,000 años, mucho antes de la invención de la escritura o el uso de herramientas de metal, el uso de la agricultura y la construcción de grandes sistemas de irrigación puso a nuestros antepasados prehistóricos en contacto (y a veces en conflicto) con las complejidades del comportamiento de la ingeniería de rocas y suelos por primera vez. El conocimiento y comprensión del comportamiento y las propiedades del suelo y las rocas, se convirtió, y sigue siendo, una cuestión de necesidad práctica para su permanencia en la faz del planeta. Hacia el año 4,000 A.C., las antiguas civilizaciones florecieron a lo largo de las orillas de imponentes ríos, como el Nilo (Egipto), el Tigris y el Éufrates (Mesopotamia), el Huang Ho (Río Amarillo en China), y el Indo (India). En estos pueblos se contó con escritura y gobierno, y con el tiempo se desarrollaría la ciencia. Se tiene conocimiento de diques que datan de alrededor del 2,000 A.C., que fueron construidos en la cuenca del río Indo para proteger la ciudad deMohenjo-Daro y Harappa (en lo que se convirtió en Pakistán después de 1947). Menfis, capital del Nomo I del Bajo Egipto y de las Dos Tierras, fue fundada según Heródoto en el 2,900 A.C. a 19 km de la actual El Cairo, por Menes, quien realizó las obras de regulación del curso del Nilo, protegiendo la localidad con un dique, y su sucesor Athothis fue quien levantó los palacios de la ciudad. El nombre proviene de la helenización de la voz egipcia Men-Nefer. La ciudad se llamaba, desde los tiempos de Menes, Anbu-hey (muro blanco), como término indicativo del papel de fortaleza

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rodeada de murallas situada estratégicamente. En esta ciudad, el arquitecto real Kanofer (padre del ingeniero y arquitecto Imhotep), construyó el muro perimetral.

MENFIS

Entre los años 2,000 a 3,000 A.C., la construcción de monumentos en Egipto, Mesopotamia, India y China representaron nuevos desafíos de ingeniería y arquitectura relacionados con los suelos y rocas, sobre todo en lo relativo a sus cimentaciones. Torres, pirámides y zigurats, muros urbanos de grandes dimensiones, templos con columnas, obeliscos, pagodas y otras estructuras surgieron como tributo a la creciente capacidad del hombre para dominar la tierra. En los siglos venideros, hacia el comienzo de la era cristiana, el dominio Griego y Romano de puentes, carreteras pavimentadas, acueductos, sistemas de alcantarillado y drenaje, muros de contención, presas de tierra y otras estructuras, habían familiarizado a los ingenieros antiguos, al menos en un sentido general, con casi todos los aspectos de la ingeniería geotécnica y geomecánica. Hasta los comienzos rudimentarios de la ingeniería sísmica datan de la antigua Grecia y la China Sung.

SISMÓGRAFO CHINO INVENTADO POR ZHANG HENG (DINASTÍA HAN. 132 D.C.)

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Las primeras comunidades entendieron claramente ciertas relaciones matemáticas como algo fundamental para la construcción, pero parece que basaron su práctica real de la ingeniería estrictamente en la observación y los antecedentes. Los egipcios, por ejemplo, construyeron la gran pirámide de Keops sin conocer el número π, mientras que los griegos (entre otros) atribuyen poderes sobrenaturales a las piedras, el suelo y la materia inorgánica, una superstición comúnmente llevada a cabo hasta la Ilustración del siglo XVIII. Alrededor del año 300 A.C., Teofrasto, en su tratado "On Stones" presentó un método para determinar la dureza relativa de minerales comunes, el cual fue presentado siglos después, en el año 1812 por Friedrich Mohs para determinar la dureza in-situ de minerales desconocidos y encontrados en las excavaciones, aunque se han desarrollado métodos mucho más precisos. La escala de dureza de Mohs fue muy importante para decidir que tipo de instrumento de corte o excavación utilizar en los proyectos mineros, y fue desarrollada considerando minerales altamente disponibles a comienzos del siglo XIX.

TEOPHRASTUS

En su tratado "On Stones", en la que Teofrasto clasifica las rocas en función de su comportamiento cuando se calientan, agrupando minerales por propiedades comunes, como el ámbar y la magnetita, que tienen el poder de atracción. También comenta sobre el efecto del calor en los minerales y sus diferentes durezas. Describe diferentes mármoles, menciona el carbón, que según él se utiliza para calentar el metal para trabajarlo, describe los diversos minerales metálicos, y sabía

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que la piedra pómez tenía un origen volcánico. También se ocupa de piedras preciosas, esmeraldas y amatistas, ónix, jaspe, etc., y describe una variedad de "Zafiro", que era de color azul con vetas de oro, que por lo tanto presumiblemente era lapislázuli. Muchos de los minerales más raros se encontraron en las minas, y menciona las famosas minas de cobre de Chipre y las aún más famosas minas de plata, presumiblemente de la región de Laurium cerca de Atenas, y en las que se basó la riqueza de la ciudad, además de referirse a minas de oro. Las minas de plata Laurium, que eran propiedad del estado, eran usualmente arrendadas por una suma fija y un porcentaje sobre la producción. Hacia el final del siglo V, la producción se redujo, en parte debido a la ocupación espartana de Decelia. Sin embargo, las minas se siguieron trabajando, aunque los registros de Estrabón indicaron que solo las colas fueron trabajadas otra vez, y Pausanias habla de las minas como una cosa del pasado. Los antiguos trabajos, que consistieron en pozos y galerías para excavar el mineral, y las tablas de lavado para extraer el metal, pueden verse todavía. Teofrasto escribió una obra separada "On Minning" ("Sobre Minería"), que al igual que la mayoría de sus escritos, es un trabajo desaparecido. La antigua civilización griega utilizó zapatas aisladas y fundaciones continuas-ycombinadas para la construcción de estructuras. Según San Isidoro, por ejemplo, los griegos consideraban a Dédalo el inventor de la construcción de muros y techos, que la había aprendido de la diosa Minerva.

PARTENÓN EN ATENAS (447 A.C.)

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Gracias a la geometría, los antiguos arquitectos griegos desarrollaron gran habilidad en la construcción de cimientos aislados y cimientos continuos y en mallas. Las imágenes evidencian que la antigua arquitectura griega se basó en el uso de rocas talladas para la construcción de sus templos, edificios, teatros y caminos.

COLUMNAS GRIEGAS

Otro aspectos geotécnicos importante utilizado en la construcción de templos en la antigua Grecia es el uso de elementos sismo-resistentes a nivel del Estilóbato y Estereóbato, consistente en un gancho de hierro que enlaza los bloques contiguos de piedra tallada y le aporta resistencia al conjunto en el sentido largo de la base.

GANCHOS PARA SISMO RESISTENCIA

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En Egipto existen aproximadamente 10.000 pirámides, donde la mayor fue la del faraón Keops, conocida hoy día como la Gran Pirámide de Guiza, que originalmente tenía 230.4 m de lado en una base cuadrada, y originalmente medía 146.3 m de altura. Contenía unos 2'300.000 bloques de piedra, de aproximadamente 1.1 toneladas en promedio cada uno. La exactitud con que se orientó la base con respecto a la alineación norte-sur, este-oeste fue de aproximadamente de 6 minutos de arco de error máximo, en tanto que la base distaba de ser un cuadrado perfecto por menos de 17.78 cm. Teniendo en cuenta el conocimiento limitado de la geometría y la falta de instrumentos de ese tiempo, fue una proeza notable.

CONSTRUCCIÓN DE UNA PIRÁMIDE CON UN PLANO INCLINADO

Comenzando alrededor de 2750 A.C., las cinco pirámides más importantes se construyeron en Egipto en un período de menos de un siglo (Saqqarah, Meidum, Dahshur del Sur y del Norte, y Keops).Esto plantea retos formidables en relación a las fundaciones, estabilidad de taludes y construcción de cámaras subterráneas. Entre los principales conceptos desarrollados con la construcción de los monumentos se encuentran la elevada concentración de cargas, en Keops se tenían 5'000.000 ton de roca distribuidas en 230.4 x 230.4 m (aproximadamente 1000 kPa)

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COMPARACIÓN DE PENDIENTES DE TALUD EN PIRÁMIDES Y PRESA. PIRÁMIDES DE KEOPS (EGIPTO) Y PIRÁMIDE DEL SOL (MÉXICO)

Entre los principales elementos de geomecánica y geotecnia utilizados por los Egipcios, para soportar sus pesadas estructuras fundadas sobre suelos blandos, usaban cilindros de roca (pilotes) cuya superficie era alisada para reducir la resistencia a la penetración. Para la construcción de pozos de agua los egipcios desarrollaron técnicas. El uso de caissons de madera y piedra para la construcción de cimientos sobre suelos blandos ya era conocido en Egipto en el año 2000 A.C. El frente de avance se construía con un bloque redondo de caliza tallada con un orificio en el centro y las paredes se revestían con madera o con bloques de piedra tallada. Los caminos romanos superaron los 4.100 km en el año 200 D.C. Estas vías, destinadas a la infantería eran generalmente rectas (lo más directas posibles), de poca inclinación y contaban con cunetas para mejorar el drenaje y su espesor aumentaba sobre suelos blandos, lo que indica que los romanos comprendían las bases de la mecánica de suelos y rocas.

PARTES DE LA CONSTRUCCIÓN DE VÍA ROMANA

Después de la caída del Imperio Romano, el desarrollo ingenieril se trasladó a India y China. Los antiguos hindúes eran diestros en el manejo del hierro y poseían el secreto para fabricar el buen acero desde antes de los tiempos de los romanos.

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La Edad Media o periodo medieval, abarcó desde 500 hasta 1500 D.C., y por lo general, se denomina Oscurantismo al periodo que media entre el año 600 y el 1000 D.C. Durante este periodo no existieron las profesiones de ingeniería, de manera que esas actividades quedaron en manos de los artesanos, tales como los albañiles maestros. El registro del primer uso de roca y suelocomo material de construcción se pierde en la antigüedad. En términos de verdadera ingeniería, la comprensión de la ingeniería geotécnica y geomecánica, como hoy es conocida comenzó a comienzos del siglo XVIII. Durante años, el arte de la Ingeniería de rocas y suelos se basó en experiencias anteriores sólo a través de una sucesión de experimentación sin ningún carácter científico real. Sobre la base de los experimentos, muchas estructuras fueron construidas, algunas de las cuales se han derrumbado, mientras que otras siguen en pie.

LA MECÁNICA DE ROCAS “COMO TAL”: En 1962, la Mecánica de Rocas, bajo la insistencia de la Escuela Austriaca, con Stini y Müller al frente, se desvincula de la Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo, con la pública oposición del fundador de la ciencia geotécnica, Karl Terzaghi. Justo en esta época se producen dos hechos desafortunados: Primero:En Diciembre de 1959, falla la cimentación de la presa bóveda de Malpasset, en Francia, provocando 450 muertos.El ingeniero proyectista A. Coyne, presidente de la International Comission on Large Dams y profesor de la École Nationale des Ponts et Chaussées de París explicaba en sus clases sólo unos meses antes: “Es raro y probablemente un caso único en ingeniería [encontrar] un tipo de estructura que no haya colapsado nunca. Pero, a pesar de las apariencias, a pesar de su forma esbelta y líneas elegantes y fuertes tensiones, es un hecho que la presa bóveda es la más segura de las estructuras. Esto es simplemente una confirmación adicional de lo que se ha conocido durante miles de años sobre la estabilidad de los arcos. [...] nada serio le puede pasar a una presa bóveda [...] con tal de que sus estribos resistan.”

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Y falló el estribo, el reconocimiento de campo posterior mostró que la presa había fallado por el deslizamiento de una cuña sobre una falla (no detectada antes), en la cimentación del estribo izquierdo, en un terreno formado por gneises foliados muy fracturados pero impermeables bajo el efecto de las subpresiones. Para terminar de arreglarlo, los ensayos in situ mostraron una elevada disparidad entre los datos reales y los considerados para el dimensionamiento de la cimentación, para la que apenas se realizaron ensayos de campo.

Segundo:En octubre de 1963, un deslizamiento en la presa de Vajont (Italia) provoca la total destrucción, aguas abajo, de la población de Longarone, con un saldo aproximado de 2.000 muertos. Tras unos días de fuertes lluvias la auscultación indicaba la posibilidad de movimientos en la ladera izquierda, por lo que se decidió rebajar la cota de embalse. Problemas en las compuertas retrasaron la operación, momento en el que se produjo el movimiento sísmico que desencadenó la caída de una masa aproximada de 300 millones de m³ de tierras a un embalse que acumulaba en aquellos momentos 150 millones de m³ de agua.

Los estudios realizados desde entonces sugieren que la caída vino gobernada por parámetros residuales bajo cargas dinámicas (algo que no se tenía en cuenta en aquellas fechas) y fenómenos de tipo termodinámico (el rozamiento en la caída provocó temperaturas de hasta 120 ºC) que ni siquiera hoy se tienen en cuenta. Pasados los años el mecanismo del deslizamiento aún no ha sido explicado satisfactoriamente. Tras estudiar el desastre de Vajont, Terzaghi escribe: “[...] las curvas de frecuencia de diaclasas no pueden construirse con ningún grado de seguridad si no se realizan cientos de mediciones, [...] si los expertos en Mecánica de Rocas no resisten la tentación de hacer pocos ensayos por razones económicas, los riesgos envueltos en la construcción de presas de fabrica cimentadas en roca aumentarán fuertemente.”

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Visto lo visto. el problema de la mecánica de rocas es evidente, el suelo es un medio más o menos continuo y, hasta cierto punto, sus propiedades pueden ser “extrapolables”, pero hacen falta muchos, muchísimos ensayos de campo para caracterizar de un modo fiable las propiedades geomecánicas de un macizo rocoso y, francamente, que el “Nuevo Método Austriaco” se defina más como una filosofía que como un método constructivo no ayuda. Siguiendo con la historia, hay que decir que la actitud de los expertos en mecánica de rocas de aquella primera época seguía siendo dogmática incluso después de los accidentes, con métodos basados en principios de la mecánica de medios continuos bajo consideraciones estáticas, opiniones personales y subjetivos coeficientes correctores. Cabe señalar además que el primer Congreso Internacional de Mecánica de Rocas, se realizó en Lisboa, en el año de 1966. Entre 1973 y 1989, Bieniawski utiliza cinco parámetros básicos (resistencia a compresión simple, RQD, estado de las juntas, frecuencia de las juntas y presencia de agua) para desarrollar el RMR (Rock Mass Rating) como sistema de caracterización del terreno, presentando las primeras correlaciones entre el RMR y el módulo de deformación, permitiendo así hacer cálculos basados en teorías elásticas. En 1980, Hoek y Brown enuncian un criterio de rotura a partir de ensayos de laboratorio sobre muestras de la matriz rocosa y correcciones en función del RMR obtenidas mediante estadísticas (a partir de seis tipos de calidad del macizo -desde roca intacta a roca de mala calidad y cinco tipos de composición de la roca desde metamórficas hasta carbonatadas). También estudian la variación de las propiedades del macizo con la orientación de las juntas y el número de familias, lo que permite introducir en el criterio macizos rocosos estratificados. Se trata de un criterio cuadrático, pero para un cierto rango de tensiones puede asimilarse a la formulación lineal de Mohr-Coulomb, lo que populariza su uso al permitir aplicar las fórmulas clásicas de la mecánica de suelos. Entre 1994 y 1997, Hoek introduce un nuevo parámetro, el GSI (Geological Strength Index), para poder tener en cuenta otros factores, como la foliación, los rellenos, la forma de los bloques y el contenido en finos, entre otros, lo que permite incluir en el criterio macizos rocosos de mala calidad, con un comportamiento intermedio entre suelo duro y roca blanda, no contemplados en el criterio inicial de Hoek y Brown.

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Hoy en día, no hay ningún método analítico en mecánica de rocas que no incluya el RMR, el GSI o el criterio de Hoek y Brown. Conviene tenerlo en cuenta porque, dado su origen, son métodos que se hallan en constante revisión (Hoek modifica su criterio periódicamente) que no deben ser utilizados fuera del rango de valores en el que fueron obtenidos. El planteamiento que se sigue habitualmente a la hora de predimensionar un macizo rocoso parte de un reconocimiento de campo, una recopilación de datos geomecánicos y la realización de clasificaciones geomecánicas, dejando formulaciones más exactas, mediante elementos finitos (PLAXIS) o diferencias finitas (FLAC), para proyectos “grandes” o instrumentación.

MARCO TEORICO DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE LAS ROCAS

1. MECANICA DE ROCAS La mecánica de rocas se ocupa 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. El desarrollo de la mecánica de rocas se inició como consecuencia de la utilización del medio geológico para obras superficiales y subterráneas y explotación de recursos mineros. Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se pueden agrupar en aquellos en que el material rocoso constituye la estructura (excavación de túneles, galerías, taludes, etc.), aquellos en que la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.) y aquellos en los que las rocas se emplean como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.). La mecánica de rocas guarda una estrecha relación con otras disciplinas como la geología estructural, para el estudio de los procesos y estructuras tectónicas que afectan a las rocas, y la mecánica de suelos, para abordar el estudio de rocas alteradas y meteorizadas en superficie. Las masas rocosas aparecen en la mayoría de los casos afectadas por discontinuidades o superficies de debilidad que separan bloques de matriz rocosa o «roca intacta» constituyendo en conjunto los macizos rocosos. Ambos ámbitos son objeto de estudio de la mecánica de rocas, pero son principalmente los planos de discontinuidad los que determinan el carácter diferencial de esta disciplina con respecto al estudio de los suelos, y los que hacen que la mecánica del medio rocoso presente un carácter discontinuo y anisótropo. La caracterización de las rocas y de los macizos rocosos y el estudio de su comportamiento mecánico y deformacional son complejos debido a la gran varia-

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bilidad de características y propiedades que presentan y al elevado número de factores que los condicionan. 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. 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 las 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 depende de las propiedades de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza. El estado y comportamiento mecánico de los macizos rocosos son resultado de la combinación de varios factores con diferente grado de importancia para cada situación. Así, en medios superficiales las discontinuidades y los procesos de meteorización juegan 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. El estudio de la estructura geológica y las discontinuidades es un aspecto fundamental en mecánica de rocas: los planos de debilidad preexistentes controlan los procesos de deformación y rotura en los macizos a cotas superficiales, donde se realizan la gran mayoría de las obras de ingeniería. La mayor o menor influencia de los bloques de matriz rocosa en el comportamiento global del macizo dependerá de las propiedades relativas de ambos componentes, del número, naturaleza y características de las discontinuidades y de la escala de trabajo o ámbito considerado. Por ejemplo, en macizos rocosos formados por bloques de rocas duras, con propiedades resistentes elevadas, serán las discontinuidades las que controlen los procesos de rotura y deformación, mientras que en macizos diaclasados con matriz rocosa blanda las diferencias en el comportamiento de ambos no será tan relevante. Las obras de ingeniería modifican el estado tensional a que están sometidos los macizos rocosos en un tiempo muy corto en relación a los procesos geológicos, y pueden tener lugar interacciones mutuas entre la liberación o redistribución de los esfuerzos naturales y las estructuras. Por ello, es importante conocer el estado de tensiones previo y evaluar su influencia sobre las obras. El agua presente en los macizos rocosos reduce su resistencia, genera presiones en el interior de los mismos y altera sus propiedades, dificultando las excavaciones superficiales y subterráneas. Para evaluar la influencia del agua deben estudiarse las características de la permeabilidad y el flujo en los macizos rocosos. Las propiedades del medio rocoso deben evaluarse teniendo en cuenta las condiciones del agua subterránea.

2. ROCAS Las rocas son agregados naturales duros y compactos de partículas minerales con fuertes uniones cohesivas permanentemente que habitualmente se consideran un

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sistema continuo. La proporción de diferentes minerales, la estructura granular, la textura y el origen de la roca sirven para su clasificación geológica. Las propiedades físicas de las rocas son el resultado de su composición mineralógica, fábrica e historia geológica, deformacional y ambiental, incluyendo los procesos de alteración y meteorización. La gran variabilidad de estas propiedades se refleja en comportamientos mecánicos diferentes frente a las fuerzas que se aplican sobre las rocas, comportamientos que quedan definidos por la resistencia del material y por su modelo de deformación. Serán por tanto las propiedades físicas de las rocas las que determinen su comportamiento mecánico.

3. PROPIEDADES FISICAS DE LA MATRIZ ROCOSA Existen una serie de parámetros que se emplean para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades básicas de las rocas y permiten, así mismo, establecer una primera clasificación con fines geotécnicos. Estas propiedades, denominadas propiedades índices, serán las que determinen en primera instancia, junto con la composición mineralógica y la fábrica, las propiedades y el comportamiento mecánico de la matriz rocosa.

A.- POROCIDAD Las propiedades físicas o propiedades índices de las rocas se determinan en laboratorio; las más importantes a nivel de influencia en el comportamiento mecánico son la porosidad, el peso específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagación de las ondas sónicas. Algunas de estas propiedades, además de servir para su clasificación, están directamente relacionadas con las características resistentes y deformacionales de las rocas. La porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los huecos o poros en la roca, VV, y el volumen total V (partículas sólidas + huecos).

Es la propiedad que más afecta a las características resistentes y mecánicas, siendo inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad y directamente proporcional a la deformabilidad, ya que la existencia de huecos puede dar lugar a zonas de debilidad. Los poros, en el caso de rocas cristalinas, ígneas o meta- mórficas, pueden ser microfisuras o grietas en la matriz rocosa. La porosidad, en general, decrece con la profundidad y con la edad de las rocas. El valor de n puede variar entre el 0 % y el 90 %, con valores normales entre 15 % y 30 %. Las rocas sedimentarias carbonatadas bioclásticas y las rocas volcánicas pueden presentar valores muy elevados de porosidad, al igual que las rocas meteorizadas o alteradas.

B.-PESO UNITARIO (DENSIDAD) El peso específico o peso unitario de la roca depende de sus componentes, y se define como el peso por unidad de volumen. Sus unidades son las de fuerza (Kilopondio, newton, tonelada-fuerza, etc.) por volumen. En general se considera el mismo valor para el peso específico, y, y para la densidad, ℓ (ℓ = masa/volumen), por lo que en ocasiones en la bibliografía geotécnica se emplea el término “densidad” aunque se esté haciendo referencia al peso específico (al trabajar con el peso debe quedar claro que se trabaja con unidades de fuerza y no de masa; así γ= ℓ g = 1 gmasa/cm3 • 980 cm/s2 = 980 dinas/cm3 = 1 g^Jcm3 ó y = 1.000 kg/m3-9,8 m/s2 = 9.800 N/m3 = 1.000 kp/m3).

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Las rocas, a diferencia de los suelos, presentan una gran variación de valores de peso específico. C.- Resistencia a compresión simple

La resistencia a la compresión simple o resistencia uniaxial es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial , detrminada sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio y viene dada por:

El valor de la resistencia aporta información sobre las propiedades ingenieriles de las rocas.

CLASIFICACION DE ROCAS CON FINES GEOTECNICOS La clasificación de las rocas para usos ingeníenles es una tarea compleja, ya que deben cuantificarse sus propiedades con el fin de emplearlas en los cálculos de diseño. Así, los términos cualitativos de roca dura o resistente, blanda o débil deben acotarse mediante determinados valores de su resistencia a compresión simple: 500 a 1.000 kp/cm2 para una roca dura y 50 a 250 kp/cm2 para una roca blanda. La dificultad para la clasificación geotécnica estriba tanto en el hecho de la alta variabilidad de las propiedades rocosas como en las limitaciones de los métodos y procedimientos para su determinación. La resistencia a compresión simple es la propiedad más frecuentemente medida en las rocas, y en base a su valor se establecen clasificaciones en mecánica de rocas. En el Cuadro 3.10 se incluyen diferentes clasificaciones basadas en este parámetro.

Fuerzas y tensiones La mecánica de sólidos asume un comportamiento ideal de los materiales: homogéneo, continuo, isótropo, lineal y elástico. Las rocas, a diferencia de los materiales artificiales como el acero o el hormigón, presentan «defectos» estructurales debido a la variación en la composición mineralógica, orientación de minerales, porosidad y microfisuración, grado de alteración, etc. Los macizos rocosos, además, contienen discontinuidades de muy diverso'tipo y zonas meteorizadas o tectonizadas. En ambos casos estas características se reflejan en unas propiedades físicas y mecánicas heterogéneas, discontinuas y anisótropas, que gobiernan la respuesta mecánica del medio rocoso frente a la actuación de las fuerzas. La aplicación de nuevas fuerzas, o la modificación de la magnitud o distribución de las preexistentes, da lugar a cambios en el estado mecánico de los sistemas rocosos,

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produciéndose una serie de efectos internos, * como desplazamientos, deformaciones y modificación del estado tensional o de esfuerzos. En los ensayos de laboratorio se aplican fuerzas para producir la rotura del material y conocer así sus propiedades resistentes y deformacionales. El estado mecánico de un sistema está caracterizado por:  La posición de cada una de sus partes, definida por sus coordenadas.  Las fuerzas que actúan entre y sobre las partes del sistema.  La velocidad con que las partes cambian de posición. La diferencia entre dos estados mecánicos, por tanto, quedará definida por los desplazamientos, las deformaciones y los cambios en el estado tensional o de esfuerzos. El desplazamiento, u, es el cambio de posición de una partícula, y queda definido por un vector u = p' — p. El campo de desplazamientos en un sistema será homogéneo si los vectores de desplazamiento de cada partícula son iguales en magnitud y dirección La deformación, s, indica la variación de longitud o espacio entre dos partículas en dos estados mecánicos distintos, y se puede expresar como la relación entre la variación de longitud y la longitud inicial entre las partículas: ϵ = (Li-Lf)/Li = ΔL/Li Este parámetro es a dimensional y compara situaciones en dos estados mecánicos diferentes. Las fuerzas son las responsables primeras del estado y comportamiento mecánico de un sistema. Sobre un cuerpo rocoso actúan dos tipos de fuerzas la fuerza gravitatoria o volumétrica. El esfuerzo se define como la reacción interna de un cuerpo a la aplicación de una fuerza o conjunto de fuerzas, y es una cantidad que no se puede medir directamente, ya que el parámetro físico que se mide es la fuerza, Si la fuerza actúa uniformemente en una superficie, el esfuerzo o tensión indica la intensidad de las fuerzas que actúan sobre el plano. Por tanto, a diferencia de las fuerzas, carece de sentido hablar de esfuerzo actuando sobre un punto. El esfuerzo no varía en función del área considerada siempre que las fuerzas se distribuyan uniformemente sobre la superficie. Si las fuerzas no se distribuyen uniformemente, el esfuerzo variara para diferentes áreas del plano.

Resistencia y rotura Conceptos básicos Las tensiones o esfuerzos generados por la aplicación de las fuerzas pueden producir deformaciones y roturas en las rocas dependiendo de la resistencia de las mismas y de otras condiciones extrínsecas al propio material rocoso.

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La deformación indica el cambio en la forma o configuración de un cuerpo, correspondiéndose con los desplazamientos que sufre la roca al soportar la carga. Ante la dificultad de medir desplazamientos muy pequeños, la deformación se expresa comparando el estado deformado con respecto al inicial y, por tanto, no tiene unidades. Anteriormente se ha definido la deformación longitudinal o elongación, s, como la variación de longitud entre dos partículas en dos estados mecánicos diferentes, expresada como: ϵ = (Li-Lf)/Li = ΔL/Li La resistencia se define como el esfuerzo que la roca puede soportar para unas ciertas condiciones de de Para una determinada carga o fuerza, los esfuerzos generados superan la resistencia del material rocoso, se alcanzan deformaciones inadmisibles y tiene lugar la rotura del mismo. La rotura es un fenómeno que se produce cuando la roca no puede soportar las fuerzas aplicadas, alcanzando el esfuerzo un valor máximo correspondiente a la resistencia de pico del material. Aunque generalmente se supone que la rotura ocurre o se inicia al alcanzarse la resistencia de pico, esto es una simplificación que no siempre ocurre. Tampoco la rotura de la roca tiene por qué coincidir con el inicio de la genera ción de los planos de fractura. La fractura es la formación de planos de separación en la roca, rompiéndose los enlaces de las partículas para crear nuevas superficies. Se pierden las fuerzas cohesivas y permanecen únicamente las fricciónales. En fufición de la resistencia de la roca y de las relaciones entre los esfuerzos aplicados y las-deformaciones producidas, la rotura puede responder a diferentes modelos: rotura frágil (instantánea y violenta) o rotura dúctil (progresiva). El fenómeno de la rotura va acompañado de la generación de planos de fractura a través de la roca, cuya dirección depende de: — La dirección de aplicación de las fuerzas. — Las anisotropías presentes en el material rocoso a nivel microscópico (orientación preferente de minerales, presencia de microfisuras orientadas) o macroscópico (superficies de esquistosi- dad o laminación). A escala de macizo rocoso fracturado, la rotura puede ocurrir a través de la matriz rocosa o a favor de discontinuidades preexistentes, siendo también posible la creación de planos de rotura mixtos. Mecanismos de rotura El proceso de rotura de las rocas es muy variado y complejo, englobando varios tipos de fenómenos de manera conjunta e interviniendo múltiples factores. El análisis de la rotura en rocas es más complejo que en suelos. A continuación se describen los distintos mecanismos de rotura en el medio rocoso, ilustrándolos con algunos ejemplos a nivel de macizo rocoso: 1) Rotura por esfuerzo cortante. Se produce cuando, una determinada superficie de la roca está sometida a esfuerzos de corte suficientemente altos como para que una cara de la superficie deslice con respecto a la otra. Son ejemplos las roturas a favor de discontinuidades en taludes de macizos rocosos o en los techos de galerías sobre hastiales rígidos . Es el caso más habitual de rotura y el más importante. 2) Rotura por compresión. Tiene lugar cuando la roca sufre esfuerzos a compresión. Microscópicamente se producen grietas de tracción y planos de corte que progresan en el interior de la roca. La situación de compresión simple no es frecuente en la naturaleza o en las obras de ingeniería. Son ejemplos próximos los pilares de soporte en una excavación minera o los pilares de sostenimiento de desmontes en voladizo. 3) Rotura por flexión. Se produce cuando una sección de la roca está sometida a momentos flectores. En realidad la sección está sometida a unas tensiones normales variables, rompiéndose por la zona donde se acumulan las tracciones. Esta situación se produce, por ejemplo, en los dinteles de las

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galerías subterráneas, o en el techo de una cavidad cárstica (Figura 3.36b)). > 4) Rotura por tracción. Este tipo de rotura se produce cuando la disposición y/o estructura del macizo rocoso hace que una cierta sección de la roca esté sometida a una tracción pura o casi pura. En la realidad son situaciones difíciles de producirse. Un ejemplo puede ser el estado traccional que se genera en algunos tramos de la superficie de rotura de un talud. 5) Rotura por colapso. Una rotura por colapso mecánico se produce bajo condiciones de compresión isotrópica, es decir, cuando el material recibe compresiones en todas las direcciones del espacio. La estructura de la roca se rompe, transformándose en un material pulvurulento, tipo suelo. Es un caso particular de la rotura por compresión. Se produce en rocas muy porosas, tales como rocas volcánicas de baja densidad o areniscas cementadas tipo creta. Las rocas densas bajo compresión isotrópica pueden colapsar también bajo compresiones muy elevadas por cambios en su estructura interna.

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RELACIONES TENSIÓN-DEFORMACIÓN EN LAS ROCAS El comportamiento tensión-deformación, o esfuerzo-deformación, de un cuerpo viene definido por la relación entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones producidas, y hace referencia a cómo se va deformando y cómo va variando el comportamiento del material rocoso a lo largo de la aplicación de la carga, o dicho de otro modo, cómo varía la resistencia del material para determinados niveles de deformaciones

 El comportamiento antes de llegar a la rotura.  La forma en que se produce la rotura.  El comportamiento después de la rotura. Su estudio se lleva a cabo a partir de ensayos de aplicación de fuerzas compresivas, en donde se registran las curvas esfuerzo-deformación a lo largo de las diferentes etapas del proceso. Las rocas presentan relaciones no lineales entre las fuerzas aplicadas y las deformaciones producidas a partir de un determinado nivel de esfuerzos, obteniéndose diferentes modelos de curvas σ- ϵ para los distintos tipos de rocas. Si debido a la aplicación de una carga sobre un cuerpo rocoso se supera su resistencia de pico (es decir, si la deformación aumenta más allá de la deformación de pico) puede ocurrir:

i.

La resistencia de la roca disminuye drásticamente incluso hasta alcanzar un valor próximo a cero. Es el caso de un comportamiento frágil como el que presenta, por ejemplo, el vidrio. Este comportamiento es típico de rocas duras con alta resistencia. La fractura frágil implica una pérdida casi instantánea de la resistencia de la roca a través de un plano sin ninguna o muy poca deformación plástica.

ii.

La resistencia de la roca decrece hasta un cierto valor después de haberse alcanzado deformaciones importantes. Es el caso de un comportamiento frágildúctil o parcialmente frágil, como el que presentan las discontinuidades rocosas o materiales arcillosos sobreconsolidados.

iii.

La deformación sigue aumentando sin que se pierda la resistencia (esto es, la resistencia se mantiene constante después de grandes deformaciones). Es el caso de un comportamiento dúctil, que presentan determinados tipos de materiales blandos como las sales.

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Resistencia y parámetros resistentes

El comportamiento mecánico de las rocas está definido por su resistencia y su deformabilidad. La resistencia, como se ha definido anteriormente, es el esfuerzo que soporta una roca para determinadas deformaciones. Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin confinar se denomina resistencia a compresión simple, y su valor se emplea para la clasificación geotécnica de ias rocas. Se obtiene mediante el ensayo de resistencia uniaxial o de compresión simple. En general, los ensayos de laboratorio sobre rocas frágiles proporcionan valores de resistencia superiores a los reales. Las rocas rompen a favor de superficies de fractura que se generan al superarse su resistencia de pico. Así, de una forma indirecta los ensayos de compresión miden la resistencia al corte de las rocas. Podría pensarse que los planos de fractura tienden a desarrollarse con dirección paralela a la de aplicación de la carga; sin embargo, la mínima resistencia se obtiene para la dirección en la que se ejerce el mayor esfuerzo tangencial, formando un ángulo determinado con respecto a la dirección de aplicación de la carga. Teóricamente, en caso de matriz rocosa isótropa, la resistencia compresiva será siempre la misma para un mismo estado de esfuerzos aplicado y unas mismas condiciones de presión de agua, temperatura, etc. La resistencia es función de las fuerzas cohesivas y fricciónales del material (además de otros factores extrínsecos al material rocoso). La cohesión, c, es la fuerza de unión entre las partículas minerales que forman la roca. El ángulo de fricción interna, ∅, es el ángulo de rozamiento entre dos planos de la misma roca; para la mayoría de las rocas éste ángulo varía entre 25° y 45°. La fuerza, friccional depende del ángulo de fricción y del esfuerzo normal, σn, actuando sobre el plano considerado. La resistencia de la roca no es un valor único, ya que además de los valores de c y ∅, depende de otras condiciones, como la magnitud de los esfuerzos confinantes, la presencia de agua en los poros o la velocidad de aplicación de la carga de rotura. También, incluso en rocas aparentemente isótropas y homogéneas, los valores de c y ∅ pueden variar según el grado de cementación o variaciones en la composición mineralógica. Ambos parámetros se determinan a partir del ensayo de compresión triaxial d de laboratorio. Deformabilidad

La deformabilidad es la propiedad que tiene la roca para alterar su forma como respuesta a la actuación de fuerzas. Según sea la intensidad de la fuerza ejercida, el

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modo en que se aplica y las características mecánicas de la roca, la deformación será permanente o elástica; en este último caso el cuerpo recupera su forma original al cesar la actuación de la fuerza. La deformabilidad de la roca se expresa por sus constantes elásticas E y v:

El módulo de Young, E, define la relación lineal elástica entre el esfuerzo aplicado y la deformación producida en la dirección de aplicación del esfuerzo, y el coeficiente de Poisson, v, define la relación entre la deformación transversal y axial. Ambas constantes se obtienen del ensayo de compresión simple y definen las características de la deformación elástica «estática» de la roca. Una roca dura con comportamiento frágil presenta mayor módulo de Young y menor coeficiente de Poisson que una roca blanda con comportamiento dúctil.

Ensayos de laboratorio de resistencia y deformabilidad La composición de la mayoría de los materiales de construcción, tales como metales y hormigones, es uniforme y homogénea hasta el extremo de que las propiedades mecánicas de estos materiales, una vez que están emplazados, son virtualmente las mismas que se obtienen en ensayos de laboratorio. En las rocas no ocurre lo mismo, y los resultados de los ensayos deben ser interpretados teniendo en consideración sus limitaciones y grado de representatividad. Incluso en rocas aparentemente isótropas y homogéneas se dan direcciones preferentes de anisotropía y variaciones que influyen en los resultados de los ensayos de laboratorio. Los métodos experimentales para determinar la resistencia y la deformabilidad de las rocas son independientes del criterio de rotura adoptado en cada caso; su finalidad es establecer las relaciones entre los esfuerzos y las deformaciones durante el proceso de carga y rotura, los esfuerzos a que está sometida la roca en el momento de la rotura y sus parámetros resistentes. Estos métodos son los ensayos de laboratorio de compresión uniaxial, compresión triaxial y tracción. Con la realización de un número estadísticamente representativo de ensayos se pueden obtener los valores característicos de los parámetros resistentes de una roca a partir de las fuerzas aplicadas en el momento de la rotura; mediante la realización de ensayos adecuados se obtienen las curvas tensión-deformación representativas de su comportamiento (la ley o modelo de comportamiento), cuyo estudio es fundamental a la hora de caracterizar las propiedades deformacionales de los materiales rocosos. Ensayos de laboratorio que permiten obtener los parámetros de resistencia y deformabilidad de la matriz rocosa:

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Los ensayos de laboratorio se realizan sobre probetas cilíndricas de roca. Por lo general se utilizan testigos de sondeos, por lo que las dimensiones de las probetas suelen ser siempre pequeñas. Los ensayos deben ser realizados de una forma sistemática y los resultados deben ser estadísticamente representativos de la roca a investigar. Es importante definir claramente lo que se pretende medir y valorar. Los valores obtenidos dependerán de la naturaleza y condiciones de la roca (mineralogía, tamaño de grano y cementación, microfisuración, porosidad, grado 'de meteorización), y de las condiciones del ensayo (forma y volumen de la probeta, preparación y tallado de la misma, contenido en humedad, temperatura, velocidad de carga, dirección de aplicación de la carga, rigidez de la máquina de ensayo). Ensayo uniaxial o de compresión simple El ensayo permite determinar en laboratorio la resistencia uniaxial no confinada de la roca, o resistencia a compresión simple, c, y sus constantes elásticas: el módulo de Young, E, y coeficiente de Poisson, v. Es, por tanto, un ensayo para la clasificación de la roca por su resistencia y para la determinación de su deformabilidad. Procedimiento

El ensayo se realiza sobre un cilindro de roca, al que se aplica gradualmente fuerza axial hasta que se produce su rotura. En máquinas de ensayo convencionales, la variable de control es la fuerza, cuya magnitud y velocidad de aplicación puede ser controlada. Las deformaciones axiales que se van produciendo en la probeta se miden mediante comparadores o bandas extensométricas. Durante el ensayo se van registrando las curvas esfuerzo-deformación axial de la probeta. Pueden igualmente medirse las deformaciones radiales o transversales de la probeta, obteniéndose la curva - et La ISRM (1979) establece una serie de recomendaciones con respecto al tallado de las probetas:  Las probetas deben ser cilindros con una relación L/D = 2,5-3 y con D > 54 mm. El diámetro D será al menos 10 veces mayor que el mayor tamaño de grano de la roca.  Las bases de la probeta deben ser planas y paralelas y perpendiculares al eje del cilindro. Deben ser realizados, al menos, 5 ensayos para la caracterización de la matriz rocosa.

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Factores que afectan a la medida de la compresión uniaxial de las rocas

En los resultados de los ensayos de laboratorio influyen tanto los factores referentes a la naturaleza y condición de la roca como a las condiciones del ensayo. Con respecto a los segundos los más importantes son:

   

Forma y volumen de la probeta. Preparación y tallado de la probeta. Dirección de aplicación de la carga (en rocas con anisotropía). Velocidad de aplicación de la carga.

La distribución de esfuerzos varía con la geometría de la probeta. La causa de la variación se debe principalmente a la fricción entre la probeta y la placa de aplicación de la carga. La resistencia a compresión simple disminuye al aumentar el volumen de la probeta. El efecto de concavidad que suele aparecer al inicio de la rama elástica de la curva esfuerzo-deformación, puede ser considerablemente reducido si se consigue el paralelismo de las bases de la probeta. Para minimizar la influencia de la velocidad de aplicación de la carga, la ISRM (1979) recomienda rangos de carga de 0,5 a 1 MPa/s, que corresponden aproximadamente a un tiempo de 5-10 minutos hasta alcanzarse la resistencia de pico (para materiales resistentes en general). Una aplicación rápida puede producir roturas violentas y una sobrevaloración de la resistencia del material.

Ensayo de compresión triaxial Este ensayo representa las condiciones de las rocas in situ sometidas a esfuerzos confinantes, mediante la aplicación de presión hidráulica uniforme alrededor de la probeta. Permite determinar la envolvente o línea de resistencia del material rocoso ensayado, a partir de la que se obtienen los valores de sus parámetros resistentes cohesión C y fricción ∅. El ensayo de compresión triaxial es el más extendido de los ensayos de compresión multiaxial en mecánica de rocas. PROCEDIMIENTO

El ensayo se realiza sobre probetas semejantes a las del ensayo uniaxial, que se introducen en cilindros de acero en cuyo interior se aplica la presión hidráulica sobre las paredes de la probeta. Ésta se rodea de una membrana impermeable flexible para aislarla del líquido a presión. Al inicio del ensayo se aplican simultáneamente la carga axial y la presión confinante, de tal forma que sean aproximadamente iguales los rangos de ambos esfuerzos. Una vez alcanzado el nivel de presión confinante deseado, se aplica carga axial hasta

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conseguir la rotura de la probeta. La presión confinante debe mantenerse constante a lo largo de todo el ensayo. Los datos a registrar durante el experimento son la carga o el esfuerzo axial
Cuando la probeta comienza a ser cargada, se comprime radialmente (a causa de la presión confinante) hasta un momento en que comienza a «dilatarse» como resultado de la fracturación interna del material. Esta dilatación, que comienza en la región elástica, continúa en la región postpico del ensayo. La dilatación decrece con el aumento de la presión confinante, pudiendo llegar a ser inexistente en ensayos con altos valores de 3. Los resultados del ensayo de compresión triaxial dependerán fundamentalmente, además de las características de la roca, de la presión confinante aplicada.

ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA TRACCION A.- ENSAYO DE TRACCION DIRECTA

Consiste en medir directamente la resistencia a tracción uniaxial de un cilindro de roca. Para ello se sujeta firmemente por sus extremos la probeta y se aplica una fuerza traccional uniaxial en la dirección de la mayor longitud de la probeta, hasta conseguir su rotura. En los extremos del cilindro se pegan mediante resinas dos cabezales sobre los que se efectúa la tracción. También se puede tallar la probeta con unos ensanchamientos extremos que se solidarizan con el sistema de tracción. La relación L/D de la probeta debe ser 2,5 a 3, y el diámetro no menor de 54 mm. Las bases del cilindro deben ser lisas y paralelas, perpendiculares a la dimensión máxima. Se deben seguir las mismas especificaciones en cuanto a preparación y tallado de probeta que para los ensayos de compresión. La fuerza traccional se aplica de forma continua con un rango .uniforme, entre 0,5 y 1,0 MPa/s, de tal forma que la rotura se

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produzca en unos pocos minutos. La resistencia traccional σt, se calcula dividiendo la fuerza aplicada en el momento de la rotura por el área circular de la probeta. Se recomiendan al menos 5 ensayos para la determinación de un valor representativo de la resistencia traccional (ISRM, 1981). Estos ensayos son difíciles de realizar, tanto por el problema de tallar las probetas de forma especial, como por asegurar un perfecto pegado de la probeta a los cabezales de tracción. A.- ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA Ó BRASILEÑO

Consiste en medir la resistencia a tracción uniaxial de una probeta de roca indirectamente, asumiendo que la rotura se produce por tracción cuando la roca se somete a un estado de esfuerzos biaxial, con un esfuerzo principal traccional y otro compresivo de magnitud no superior a 3 veces el esfuerzo traccional. Se aplica una carga vertical compresiva sobre un disco o cilindro de roca, que se coloca en horizontal entre dos placas a través de las cuales se transmite la fuerza, hasta conseguir su rotura. Se pueden emplear placas planas o esféricas cóncavas para transmitir las cargas, que deberán ser perfectamente paralelas (Figura 3.64). La carga se aplica con un rango tal que se consiga la rotura de la roca en unos 15-30 s; la ISRM (1981)recomienda un rango de 200 N/s. Deben seguirse las mismas recomendaciones dadas en los apartados previos en cuanto a preparación y tallado de probetas.La carga compresiva produce una compleja distribución de esfuerzos en la probeta. La resistencia a tracción se obtiene mediante la fórmula:

Velocidad de ondas sónicas

El ensayo de velocidad sónica permite medir la velocidad de las ondas elásticas longitudinales y transversales, VP y Vs, al atravesar una probeta de roca seca o saturada. La velocidad de las ondas está relacionada con las características mecánicas del material, su resistencia y su deformabilidad, y a partir de ella se calculan los módulos de deformación elásticos dinámicos: Ed y vd, El ensayo consiste en transmitir ondas longitudinales mediante compresión ultrasónica y medir el tiempo que tardan dichas ondas en atravesar la probeta. De igual forma se transmiten ondas transversales o de corte mediante pulsos sónicos y se registran los tiempos de llegada. Las velocidades correspondientes, Vp y Vs, se calculan a partir de los tiempos. El transmisor o generador de la fuerza compresiva y de los pulsos se fija sobre un extremo de la probeta, y en el otro se sitúa el receptor que mide el tiempo que tardan las ondas en atravesar la longitud de la muestra de roca. El receptor puede también colocarse en un lateral de la probeta, variando así la distancia a recorrer por las ondas. Las probetas pueden ser cilindros o bloques rectangulares, recomendándose que su mínima dimensión sea al menos de 10 veces la longitud de onda (ISRM, 1981). La velocidad de las ondas de corte Vs es aproximadamente dos tercios de la velocidad V de las ondas longitudinales. Los módulos elásticos dinámicos del macizo, Ed y vd, se obtienen a partir de las fórmulas:

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donde p es la densidad del material rocoso (kg/m3) y Vp y Vs son las velocidades de las ondas longitudinales y de cizalla (m/s): El valor del módulo de deformación dinámico Ed es mayor que el determinado a partir de ensayos de compresión uniaxial, ya que la rápida aplicación de esfuerzos de baja magnitud hace que la roca tenga un comportamiento puramente elástico. El valor de Vp, además de correlacionarse lineal- mente con la deformabilidad de la roca, es indicativo de su calidad, como se describe en el Apartado 3.2, al estar relacionado con propiedades como la porosidad y la resistencia a compresión simple (Figura 3.66). El coeficiente de Poisson no presenta una relación definida con Vn.

Limitaciones de los ensayos de laboratorio Los ensayos de laboratorio son necesarios para determinar las propiedades de las rocas, constituyendo uno de los aspectos más importantes de la mecánica de rocas. El tipo y número de ensayos a realizar depende, principalmente, de la finalidad de las investigaciones y del tipo de proyecto; el tamaño, número y lugar de procedencia de las muestras a ensayar depende del problema de ingeniería geológica a resolver y de los condicionamientos económicos. Los ensayos de laboratorio no proporcionan las propiedades de los macizos rocosos, aunque aportan valores que a veces pueden ser extrapolados o correlacionados con las propiedades fundamentales de los mismos. Su ventaja es que son más asequibles que los ensayos de campo, y puede realizarse un gran número de ellos en condiciones variables. Sin embargo, los ensayos de laboratorio y los resultados que a partir de ellos se obtienen presentan una serie de limitaciones a la hora de extrapolar los datos a escala de macizo rocoso, relacionadas con los siguientes aspectos:  Representatividad. Las muestras que se ensayan corresponden a puntos aislados del macizo rocoso, no siendo representativas de todo el ámbito de estudio ni de la variabilidad de factores presentes en la naturaleza y que condicionan los comportamientos de los materiales, de ahí la importancia de realizar un número de ensayos estadísticamente representativo. Por otro lado, las condiciones ambientales en que se encuentran las rocas en el campo (presión confinante, temperatura, composición química del agua intersticial, etc.) son difíciles de reproducir en laboratorio.  Escala. Se ensayan pequeñas porciones de material, a partir de las cuales se pretende la caracterización y la predicción del comportamiento de ámbitos más amplios. La diferencia con las escalas y comportamientos reales hace necesaria la utilización de factores de conversión o correcciones para extrapolar los resultados a escala de macizo rocoso.  Velocidad. Los procesos de deformación y rotura se reproducen en laboratorio generalmente en unos pocos minutos, mientras que en la naturaleza estos procesos pueden ser el resultado de condiciones y acciones a lo largo de periodos muy dilatados de tiempo. Si a estos aspectos se añade la influencia de otra serie de factores relacionados con la ejecución de los ensayos, como el tipo y características de la máquina utilizada, la preparación de las probetas, etc. se entenderán las limitaciones y dificultades asociadas a la caracterización de las propiedades de los macizos rocosos a partir de ensayos de laboratorio. Las mismas limitaciones, aunque en menor grado, presentan los ensayos in situ: los resultados sólo son aplicables a la zona afectada por el ensayo. Sin embargo su mayor ventaja es que se realizan sobre el propio macizo rocoso.

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Discontinuidades Influencia en el comportamiento del macizo rocoso Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de una forma definitiva sus propiedades y comportamiento resistente, deformacional e hidráulico. Las discontinuidades imprimen un carácter discontinuo y anisótropo a los macizos, haciéndolos más deformables y débiles, lo que supone una gran dificultad para evaluar el comportamiento mecánico de los mismos frente a las obras de ingeniería. Las discontinuidades representan planos preferentes de alteración, meteorización y fractura, y permiten el flujo de agua. Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del macizo rocoso. La estabilidad de las excavaciones y de las cimentaciones en roca. La orientación relativa de las discontinuidades con respecto a una instalación u obra de

ingeniería (excavación, cimentación, etc.) puede suponer que el terreno sea o no estable La presencia de diversas familias de discontinuidades con diferente orientación define el grado de frac- turación del macizo rocoso, la forma y el tamaño de los bloques de matriz rocosa.

Tipos de discontinuidades El término, discontinuidad hace referencia a cualquier plano de separación en el macizo rocoso, pudiendo tener origen sedimentario, como las superficies de estratificación o laminación, diagenético o tectónico, como las diaclasas o las fallas.

— Diaclasas de origen tectónico asociadas a ple- gamientos y a fallas. En el primer

caso presentan una disposición característica (Figura 3.70). Las diaclasas asociadas a fallas se disponen paralelamente a la superficie de falla y con una frecuencia que disminuye al aumentar la distancia a la misma. — Diaclasas en rocas una secuencia sedimentaria (Figura 3.73). Estas superficies adquieren mayor importancia en las rocas de grano fino, y se caracterizan por un espaciado muy reducido, de orden milimétrico o centimetrico. Los planos de esquistosidad, de origen tectónico, aparecen en rocas que han sufrido una deformación importante, disponiéndose perpendicularmente a la dirección compresiva del máximo acortamiento. Estas discontinuidades sistemáticas se desarrollan mejor cuanto más pequeño es el grano de la roca, presentan una frecuencia alta y espaciados de orden milimétrico (Figura 3.74). Las superficies de contacto litológico son planos singulares de separación entre diferentes litologías de un macizo rocoso.

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MATRIZ ROCOSA 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.

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. 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 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. ZONAS DE CORTE Son bandas de material que puede ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca. DIACLASAS También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas. CONTACTOS LITOLOGICOS 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

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

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. Cuanta 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.

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. 36

Índice de calidad de las rocas, RQD 

El RQD (Rock qualitydesignationindex) fue desarrollado por Deere et al. (1967), para estimar cuantitativamente la cualidad del macizo rocoso basándose en la recuperación de un testigo.



Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de alteración del macizo.



El diámetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4 mm, y tiene que ser perforado con un doble tubo de extracción de testigo.



El RQD es el porcentaje de fragmentos de longitud superior a 10 cm, sobre la longitud total del testigo. Su expresión es:

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Rock Mass Rating (RMR) El RMR, introducido por Bieniawski 1976, es posiblemente la clasificación geomecánica más usada, inicialmente pensado para valorar la estabilidad y los soportes requeridos en túneles, ha resultado ser apto también para la valoración de la estabilidad en taludes. El RMR es una clasificación geomecánica, en la que se tienen en cuenta los siguientes parámetros del macizo rocoso: (1) Resistencia del material intacto que se obtiene mediante ensayo de cargapuntual o compresión simple. Valor Máximo= 15 (2) RQD (detallado más adelante en este mismo apartado).Valor Máximo= 20 (3) Espaciado de la discontinuidades, hace referencia a la entrediscontinuidades dentro de la zona a estudio.Valor Máximo= 20

longitud

(4) Condición de las discontinuidades, que incluye:Valor Máximo= 30 i. Longitud de la discontinuidad. ii. Abertura iii. Rugosidad iv. Relleno v. Alteración (5) Presencia de agua subterránea.Valor Máximo= 15 (6) Orientación de las discontinuidades. 38

A cada uno de los parámetros anteriores se le asigna un valor, el RMR se obtiene como la suma de todos ellos. RMR = (1) + (2) + (3) + (4) + (5)

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Índice Q de Barton (rock mass quality) Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, el NorgerianGeotechnicalInstitute (N.G.I.), propuso un índice para determinar la calidad del macizo rocoso en túneles y taludes.

Esta clasificación utiliza seis parámetros para definir la clase de macizo: 1. RQD, índice de calidad de la roca. 2. - Jn, índice del número de familias de fracturas. 3. - Jr, índice de rugosidades en las fracturas. 4. - Ja, índice de alteración de las paredes de las fracturas. 5. - Jw, índice del caudal afluente. 6. - SRF, índice del estado de tensión del macizo.

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41

Parámetros usados en el Q

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LA DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS Tipos de deformación Las rocas, al igual que cualquier otro material, se deforman ante la acción de esfuerzos externos. Nosotros no captamos esa deformación, pero sí podemos saber cuándo una roca está deformada. Estudiando la deformación podemos saber cómo han sido los esfuerzos que la produjeron y, por tanto, reconstruir la actividad tectónica pasada en una región.

Cualquier material se puede deformar de tres maneras: Deformación elástica: el material se deforma, pero cuando cesa el esfuerzo, la deformación desaparece (por ejemplo una goma elástica). Es, por tanto, una deformación reversible. Deformación plástica: la deformación se mantiene aunque el esfuerzo desaparezca (como ocurre con la plastilina). La deformación es irreversible. Deformación frágil: el material se fractura como respuesta al esfuerzo (sería el caso de un vidrio roto). Al igual que la anterior, también es irreversible..

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Cuando estas deformaciones se producen en los materiales terrestres dan lugar a estructuras geológicas reconocibles, como son: Pliegues, cuando la deformación sufrida por las rocas es de tipo plástica. Los materiales se doblan dándonos idea de qué fuerzas los plegaron. Fallas y diaclasas son deformaciones frágiles. Las rocas aparecen rotas y, generalmente, hay separación entre las partes fracturadas.

Pliegues Son deformaciones plásticas que afectan a varios estratos. Se visualizan fácilmente por la pérdida de horizontalidad de los estratos.

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Elementos geométricos de los pliegues En un pliegue podemos describir una serie de elementos "geométricos" que nos servirán para definirlo, clasificarlo e, incluso, averiguar algunos factores de su origen. Partiendo de un pliegue tipo, como el de la figura:

Flancos: cada una de las superficies que forman el pliegue. Charnela: la línea de unión de los dos flancos (línea de máxima curvatura del pliegue). Plano o superficie axial: plano imaginario formado por la unión de las charnelas de todos los estratos que forman el pliegue. * Su alejamiento de la vertical indica la vergencia o inclinación del pliegue. Eje del pliegue: línea imaginaria formada por la intersección del plano axial con un plano horizontal. * Su orientación geográfica indica la orientación del pliegue. * El ángulo que forma con la charnela indica la inmersión del pliegue. Terminación: es la zona donde el pliegue pierde su curvatura. 45

* La forma de la terminación refleja la forma de la charnela.

Tipos de pliegues Se pueden clasificar atendiendo a diversos factores de forma independiente. 1. Por la disposición de las capas: Anticlinal: los materiales más antiguos están situados en el núcleo del pliegue.

Sinclinal: son los materiales más modernos los que se sitúan en el núcleo o centro del pliegue.

Monoclinal o pliegues en rodilla: sólo tienen un flanco.

2. Por su simetría: Simétricos: el ángulo que forman los dos flancos con la horizontal es aproximadamente el mismo.

Asimétricos: los dos flancos tienen inclinaciones claramente distintas.

3. Por el plano axial: Inclinados: el plano axial Recto: el plano axial es Tumbados: el plano axial es forma un ángulo con la vertical. casi horizontal. vertical.

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4. Por el espesor de las capas: Isópacos o concéntricos: el espesor de cada estrato no varía a lo largo del pliegue. Se atribuye su origen a esfuerzos de tipo flexión.

Anisópacos o similares: el espesor es mayor en la zona de charnela y menos en los flancos. Su origen es por compresión.

Asociaciones de pliegues Como es lógico suponer, los pliegues no son estructuras aisladas, sino que suelen darse en asociaciones.

Series isoclinales: los planos axiales de los pliegues que intervienen en la asociación son paralelos.

Anticlinorios: los planos axiales convergen hacia el centro de la Tierra, formando el conjunto una gran estructura anticlinal. Sinclinorios: los planos axiales convergen hacia el exterior de la Tierra. El conjunto forma como un gran sinclinal. Fallas Son deformaciones frágiles. Los materiales se rompen y se produce un desplazamiento suficiente de los "fragmentos" rotos (sin desplazamiento no es posible visualizar las fallas). Generalmente las identificamos porque se ponen en contacto materiales de distintas edades. 47

Elementos geométricos de las fallas Al igual que en los pliegues, definir una serie de elementos geométricos en las fallas nos servirá para clasificarlas y averiguas ciertos aspectos sobre su origen. Bloques o labios: cada una de las partes divididas y separadas por la falla. * Labio hundido: el que queda en posición inferior con respecto al otro. * Labio levantado: se mantiene elevado con respecto al hundido. * Muchas veces no se puede saber si se ha hundido uno o se ha levantado el otro. Sólo podemos observar el movimiento relativo de uno con respecto al otro. Plano de falla: el plano de rotura por el que se ha producido el desplazamiento. Sirve para orientar la falla. Salto: es la magnitud del desplazamiento. * Salto lateral o en dirección: es el desplazamiento a lo largo del plano de falla medido en horizontal.

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Tipos de fallas Falla normal o directa: el labio hundido se apoya sobre el plano de falla. Su origen es por fuerzas distensivas, dado que hay un aumento de superficie. Falla inversa: el labio levantado se apoya sobre el plano de falla. Se originan por fuerzas compresivas. Hay disminución de superficie. Falla vertical: sin salto horizontal. En realidad son muy raras. Falla en cizalla o en dirección: no tiene salto vertical. Falla rotacional o en tijera: el movimiento se produce por una rotación alrededor de un eje. El salto varía en magnitud a lo largo del plano de falla. Asociaciones de fallas Al igual que ocurre con los pliegues, las fallas no suelen darse de manera aislada, sino que aparecen asociadas, respondiendo a las características particulares de las fuerzas que las originaron. Horst o macizo tectónico: asociación de fallas en la que la zona central aparece levantada con respecto a los laterales. Graben o fosa tectónica: la zona central aparece hundida con respecto a los laterales.

Diaclasas Son deformaciones frágiles de pequeña magnitud. Afectan, como máximo, a un estrato. A veces sólo a una roca o mineral. Su origen puede ser tectónico (por la energía interna de la Tierra) o no. Algunos tipos de diaclasas son:

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De retracción: grietas que se forman en las rocas por pérdida de volumen. Por ejemplo en las arcillas cuando se deshidratan o en rocas volcánicas (basalto) al solidificar. Por tensión: por ejemplo en la parte externa de la charnela de los pliegues. Por compresión: cara interna de la charnela de los pliegues.

Estructuras mixtas Frecuentemente se producen asociaciones entre pliegues y fallas. Pliegue-falla: tras plegarse un material, si las fuerzas compresivas siguen actuando puede llegar a superarse su límite de plasticidad y romperse. Cabalgamiento: si, tras producirse un pliegue-falla, siguen actuando las fuerzas. Una de las dos partes se desplazará por encima de la otra. Mantos: son cabalgamientos de grandes dimensiones. El desplazamiento puede ser de cientos de kilómetros, llegándose a desconectar una parte de la otra. A estos mantos se les suelen superponer nuevos plegamientos.

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APLICACIÓN DE LA MECANICA DE ROCAS EN EL DISEÑO DE TUNELES La estabilidad de túneles ha sido un tema de mucha importancia en la era de los ferrocarriles, tanto en la minería como en el transporte público, recobrando su relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce de ríos por debajo, e incluso creando túneles Falsos en las ciudades para aliviar el tráfico vehicular. También podemos mencionar a Galerías y Cavernas que no es otra cosa que túneles pequeños en secciones menores a 3 m de radio en la bóveda, que son utilizados mayormente en la Hidráulica o con fines exploratorios. En Bolivia en estas últimas décadas (1990 – 2005) se construyeron 11 Túneles, 9 de los cuales fueron bajo la Supervisión de “connal srl”

Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico – Geotécnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega un papel fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseño con los elementos necesarios para el sostenimiento del túnel en función a la altura de carga (zona de aflojamiento) después de la excavación, con estos datos ya se podría estimar el costo de la obra tunelera lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad de esta alternativa. En los Túneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad son controlados por el grado de alteración y por las anisotropías existentes en el macizo, tales como la estratificación, juntas, fallas, cuya relación con los mecanismos de inestabilización es regida por los siguientes factores: • Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición (rumbo y buzamiento) con la dirección del túnel. Siendo este el más importante a considerarse en el trazo de entrada y salida del túnel 51

• Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades. • Irregularidades en las superficies de las discontinuidades. • Rotura y movimientos anteriores. Existen muchos métodos útiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos métodos elaborados por autores conocidos mundialmente en el campo de la mecánica de rocas que realiza análisis específicos para el diseño de túneles entre estos podemos mencionar a Barton y Bieniawski, CLASIFICACIÓN SEGÚN BARTON, (Sistema–Q N.G.I.). Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, el Norgerian Geotechnical Institute (N.G.I.), propuso un índice para determinar la calidad del macizo rocoso en túneles y taludes. El Q

valor = (

numérico de RQD / JN )

éste ( JR

índice / JA

Q )

se (

define por: Jw / SRF )

Esta clasificación utiliza seis parámetros para definir la clase de macizo: 1. RQD, índice de calidad de la 2. Jn, índice del número de familias de 3. Jr, índice de rugosidades en las 4. - Ja, índice de alteración de las paredes de las 5. Jw, índice del caudal 6. - SRF, índice del estado de tensión del macizo

roca. fracturas fracturas fracturas afluente

Para explicar cómo llegaron a la ecuación para determinar el índice Q, los autores ofrecen los siguientes comentarios: El primer cociente (RQD/Jn), que representa la estructura del macizo es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente en unidades de centímetros, los tamaños de “ partículas ” de 200 a 0.5 cm. se puede apreciar como aproximaciones gruesas pero bastante realistas. Probablemente los bloques más grandes tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de la mitad. El segundo cociente (Jr / Ja), representa la rugosidad y las características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los materiales de relleno. Este cociente se inclina a favor de juntas rugosas e inalteradas que se encuentran en contacto directo se puede pensar que estas superficies están cerca de la resistencia optima, que tenderán a dilatarse fuertemente cuando estén sometidas a esfuerzos cortantes y por lo tanto serán muy favorables a la estabilidad de un túnel. Cuando las fisuras tienen recubrimientos y rellenos arcillosos delgados se reduce notablemente su resistencia, sin embargo, el contacto de las paredes después de un ligero desplazamiento por el esfuerzo cortante puede ser muy importante y salvar la excavación de un colapso. Donde no haya contacto de paredes, la situación para la estabilidad de un túnel se representa de manera muy desfavorable. 52

El tercer cociente (Jw / SRF), consiste en dos parámetros de fuerzas, SRF es un valor de: 1) la carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas. Y de roca empacada en arcillas; 2) los esfuerzos en una roca competente, y 3) las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes. Se puede considerar como un parámetro total de esfuerzos. En cuanto al parámetro Jw se trata de una medición de la presión del agua que tiene un efecto negativo en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisuras debido a la reducción en el esfuerzo efectivo normal. El agua puede causar además, un ablandamiento de las arcillas e incluso posiblemente su lavado.

CLASIFICACIÓN SEGÚN BIENIAWSKI; Es una clasificación que a sido utilizada en África del Sur y fue desarrollada principalmente a partir de excavaciones subterráneas mineras. La evaluación de calidad de macizos rocosos Rock Mass Ratting (RMR) es realizada mediante la atribución de valores a los 5 parámetros que intervienen:

1. - Resistencia a la compresión a la roca alterada, Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca que proponen, Deere y Millar, como alternativa se podrá utilizar la “Clasificación de carga de punta”, para cualquier tipo de roca, excepto la muy frágil.

2.

-

RQD,

índice

de

calidad

de

la

roca

según

Deere

y

Miller.

3. - Espaciamiento de las discontinuidades, es decir de las fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. 4. - Condiciones físicas y geométricas de las discontinuidades, este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas), y la presencia de relleno en las discontinuidades 5. - Presencia de agua subterránea, se intenta medir la influencia del flujo de las aguas subterráneas sobre la estabilidad de las excavaciones en función del caudal que penetra en la excavación, y de la relación entre la presión del agua en las discontinuidades y el 53

esfuerzo principal. Bieniawski reconoció que cada parámetro no contribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del macizo. Por ejemplo un RQD de 90 y una resistencia a la compresión uniaxial de 2000 Kg/cm2 parecerían indicar una roca de calidad excelente, pero una infiltración grande en esa misma roca puede cambiar radicalmente esta opinión. Valorización de los parámetros RMR (según Deere y Miller).

54

COMPARACION DE AMBOS METODOS. La clasificación del macizo rocoso según Bieniawski y Barton, son de un interés muy especial, ya que incluyen un número suficiente de datos para poder evaluar correctamente todos los factores que tienen influencia en la estabilidad de una excavación tanto en túnel como en corte de taludes en roca. Bieniaswki da mas importancia a la orientación y a la inclinación de los accidentes estructurales de la roca y no da ninguna a los esfuerzos en la roca. Barton no incluye en factor de la orientación de las fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más desfavorables al evaluar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración, ambos representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos dos sistemas señalan que la orientación e inclinación de las estructuras son de menos importancia y que la diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para los casos prácticos, esto se puede aceptar para la mayoría de los casos que se encuentran en el campo. Existen algunos materiales como la pizarra que tiene características estructurales tan importantes que tienden a dominar el comportamiento de los macizos. En otros casos, grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan problemas de inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación descritos serán quizás no adecuados y se necesitaran consideraciones especiales para la relación entre la geometría del macizo y la excavación. Cuando de trata de rocas de muy mala calidad que implican rocas comprimidas, expansivas ó grandes flujos de agua, se comprobó que la clasificación de Bieniaswki es poco aplicable, esto se entiende ya que se ideó originalmente para túneles de poca profundidad y taludes en roca dura fracturada. Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se recurre al sistema de Barton. La relación que RMR = 9 ln Q + 44

existe

entre

ambos

métodos,

está

expresado

como:

SOSTENIMIENTO DEL TUNEL SEGUN ¨ BARTON. En función al tipo de roca, y la dimensión del túnel, Barton presenta un método “empírico” para estimar los soportes en un túnel, 55

que varía desde anclajes ocasionales, hormigón proyectado con y sin malla metálica hasta hormigón moldeado con acero de refuerzo, para este fin utilizamos el siguiente ábaco:

ALTURA DE CARGA. a) Método de Barton. Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel si tiene las siguientes consideraciones: 

1º Valor del índice Q (varía entre 0.001 a 1000) 56



2º Diámetro equivalente de la excavación; De = luz libre (ancho o alto del túnel) / ESR donde: ESR está valorado para diferentes tipos de excavación:

Excavación temporal para minería ESR = 3 a 5 Excavación minera permanente, túneles de aducción de agua (excepto túnel a presión), túnel piloto ESR = 1.6 - Túneles menores para camino o ferrocarril, túnel de acceso ESR = 1.3 - Central hidroeléctrica, túneles importantes para carretera o ferrocarril ESR = 1.0 - Central nuclear subterránea, estación de ferrocarril, fábricas ESR = 0.8 

3º Longitud de los clavos:

L = (2 + 0.15 b) / ESR (m) donde: b es el ancho de la excavación (m) 

4º Longitud máxima sin soporte:

CLARO = 2 ESR Q0.4 (m) 

5º Carga de roca en el techo: PV = (2/3) JN1/2 Q-1/3 JR-1 (kg/cm2)

b) Método de Bieniawski.Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel, recomienda usar la siguiente fórmula: Altura de la carga de roca en el techo: Hp = ((100 - RMR) / 100) b Carga equivalente sobre el techo: PV = Hp g donde: b = ancho del túnel (m) g = peso específico de la roca (ton/m3)

PH = 0 (para RMR > 60) 57

PH = HP g / 2 (para RMR<50)

CONCLUSIONES  Se pudo comprender la estructura general básica de rocas y suelos, como también su comportamiento frente a diferentes solicitaciones, definido mediante las diferentes metodologías y ensayos que le permitan determinar correctamente propiedades del suelo necesarias para su identificación en un proyecto de ingeniería práctica.  Se definió la mecánica de rocas según lo establecido por la sociedad internacional de Mecánica de Rocas.  Se pudo enumerar los campos reales de aplicación práctica de la mecánica de rocas según la tendencia de los últimos cuarenta años.  También se pudo enumerar en orden jerárquico las materias tradicionales la mecánica de rocas deriva y con las cuales mantiene conexiones directas y campos comunes de aplicación.  Se describió sus peculiaridades principales, los principales métodos y metodologías de análisis, estudio y diseño que se utilizan en la mecánica de rocas

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS http://es.scribd.com/doc/114092199/MROCAS http://es.scribd.com/doc/98142729/Historia-de-La-Mecanica-de-Rocas http://es.scribd.com/doc/97253699/LA-MECANICA-DE-ROCAS-EN-MINERIASUBTERRANEA-MILY#download http://es.scribd.com/doc/58562108/APLICACION-DE-LA-MECANICA-DE-ROCAS-EN-ELDISENO-DE-TUNELES http://es.scribd.com/doc/56489384/INTRODUCCION#download http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/MedioNatural2/contenido2.htm

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