Principios Mecánica de

Rocas

Mecánica de RocasSe 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.

Definiendo…..

Anisotropía Es el conjunto de presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes como lo son la estratificación, laminación, familias de diaclasa, etc. Los macizos poseen esta cualidad.

Discontinuidad

Es cualquier plano de origen mecánico que independiza y separa a los bloques de matriz rocosa que pertenecen a un macizo rocoso. Por lo general los planos de discontinuidades presentan nula resistencia a la tracción.

La presencia de discontinuidades (fallas, juntas, diques, etc.) ofrece una variedad de características en el macizo, pues al estar fungiendo como separaciones de los bloques estos sus características y comportamientos están condicionados por la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos discontinuos.

Matriz Rocosa Material rocoso que se encuentra exento de discontinuidades también entre estas, se pueden encontrar bloques de roca intactas aisladas. A pesar de que la matriz es considerada un elemento continuo su comportamiento es anisótropo y heterogéneo.

Macizo, masa o medio rocoso El macizo es un conjunto de bloques de matriz rocosa y también de las discontinuidades que afectan a este. Mecánicamente son medios discontinuos anisótropos y heterogéneos. Posee una resistencia a la tracción nula.

Su objetivo:Conocer y predecir el comportamiento del macizo

rocoso ante la acción de fuerzas internas y externas que se ejercen sobre él.

Analiza los procesos asociados a la deformación de las rocas.

Efecto de producen la fuerza en las rocas.

Aplicaciones geotécnicas de la descripción y caracterización de macizos rocosos:

• Cimentación de edificios.• Estabilidad de taludes: escavados o naturales.• Construcción de muros y anclajes, escolleras.• Terraplenes, pedraplenes y presas de tierra.• Excavaciones a cielo abierto o superficiales.• Excavaciones subterráneas y túneles.• Obtención de materiales de construcción (balasto,

macadam, áridos, piedra natural).• Mejora geotécnica de terrenos.• Control de filtraciones y drenajes.

Ámbitos de Aplicación de la

Mecánica de Rocas

El Material Rocoso Constituye la

Estructura

La Roca es el Soporte de Otra

Estructuras

Las Rocas se Emplean como Materiales de Construcción

Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se pueden agrupar en:

Aquellos que el material rocoso constituye la estructura

taludesexcavación galerías

excavación de túneles

Aquellos en que la roca es el soporte de otra estructuras

cimentaciones de edificioscimentación de presas

Aquellos en los que las rocas se emplean como materiales de

construcción

escolleras

pedrales

rellenos

La finalidad de la mecánica de rocas es conocer y percibir el comportamiento de lo materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.

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.

Mecánica de rocas

• Teórica :– Geología: petrología, geología estructural, estratigrafía,

mineralogía. – Física de las rocas: resistencia de materiales, energía de

deformación.• Práctica:– Ingeniería geológica: prever comportamiento de las rocas y

prevenirlos (taludes, cimentaciones, túneles)– Minería– Recursos energéticos– Sismicidad

CARACTERÍSTICAS GEOMECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO

Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre ella se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.

A nivel de macizo rocoso las deformaciones y roturas se suelen producir a favor de los planos de discontinuidad.

A nivel microscópico… las partículas minerales sufren desplazamientos y pueden generar planos de fractura como respuesta al nuevo estado de tensiones.

El conocimiento de las tensiones y las deformaciones que puede

llegar a soportar el material rocoso 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.

Las propiedades físicas controlan las características resistentes y deformaciones de la matriz rocosa

Son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

Composición Mineralógica

Porosidad

Permeabilidad

Recordando….. Las propiedades Físicas de las Rocas

Densidad

Estructura y fábrica

Alterabilidad

Dureza

Caracterización del macizo rocoso

Los aspectos que deben describirse en el campo son:– Identificación– Meteorización o Alteración– Resistencia a compresión simple

Identificación

La identificación de visu de una roca se establece a partir de su composición y de su textura o relaciones geométricas de sus minerales.

Observaciones generales sobre el macizo rocoso:– Composición mineralógica– Forma y tamaño de los granos– Color y Transparencia– Dureza

Control geológico de la propiedades de la matriz rocosa y del macizo rocoso.

Resistencia

La resistencia de la matriz rocosa puede ser determinada por ensayos simples de campo como:– Ensayo de carga puntual ( PLT)– El martillo de Schmidt

Meteorización

EI grado de meteorización de la roca es una observación importante en cuanto que condiciona de forma definitiva sus propiedades mecánicas. Según avanza el proceso de meteorización aumentan la porosidad, permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al tiempo que disminuye su resistencia.

Discontinuidades

Las discontinuidades condicionan de una forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidráulico de los macizos rocosos. La resistencia al corte de las discontinuidades es el aspecto más importante en la determinación de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, y para su estimación es necesario definir las características y propiedades de los planos de discontinuidad.

La descripción y medida de estos parámetros para cada familia debe ser realizada en campo: – Espaciado – Rugosidad – Resistencia de las paredes – Abertura – Relleno

Espaciado

Rugosidad

• La descripción y medida de la rugosidad tiene como principal finalidad la evaluación de la resistencia al corte de los planos.

• Puede ser determinada de forma empírica

• Métodos más precisos:– Método de Discos– Perfiles Lineales

Relleno

• Las discontinuidades pueden aparecer rellenas de un material de naturaleza distinta a la roca de las paredes.

• Descripción necesaria para el campo:– Espesor o Anchura– Resistencia al Corte– Permeabilidad– Naturaleza

Abertura

Es la distancia perpendicular que separa las paredes de la discontinuidad cuando no existe relleno .

La respuesta mecánica esta en función de otros factores como las condiciones hidrogeológicas, las condiciones ambientales, el clima

y los fenómenos meteorológicos; que actúan sobre el medio geológico y dan lugar a los procesos de alteración y

meteorización, modificando las propiedades iniciales de las rocas y macizos rocosos.

Como vemos el estado y comportamiento mecánico de los macizos rocosos son resultado de la combinación de

todos estos factores, con diferente grado de importancia para cada situación.

Así, en medios superficiales, la discontinuidad y los procesos de meteorización jugaran un papel muy importante en el comportamiento mecánico de los macizos, mientras que en profundidad será el estado tensional preexistente el mayor condicionante de la respuesta mecánica.

Las obras de ingeniería modifican el estado tensional en un tiempo muy corto y pueden tener lugar interacciones mutuas entre la liberación o redistribución de los esfuerzos naturales y las estructuras.

Parámetros de la mecánica de rocas

• Deformabilidad del macizo rocoso• Relación entre esfuerzo y deformación • Resistencia• Condiciones que producen su ruptura• Estado del esfuerzo en condiciones iniciales• Estado del esfuerzo bajo las solicitaciones

aplicadas• Problemas estáticos y dinámicos debido al flujo

de agua

Propiedades de la mecánica de rocas

Las propiedades más importantes son:• Deformación• Resistencia

Deformación

La roca tiende a cambiar de forma o volumen al aplicarle una fuerza.

El esfuerzo y la deformación van juntas por lo que se estudia la deformación mediante gráficas del esfuerzo en función de la deformación.

Clasificación de las rocas con respecto a su resistencia a la compresión

Resistencia

• Esfuerzo de compresión: tiende a reducir el volumen del material

• Esfuerzo de tensión: crea fracturas en el material

• Esfuerzo cortante: desplazamiento de una parte de la roca.

Determinación de las

propiedades mecánicas

Consiste en aplicar a los pedazos de roca cargas axiales sin confinamiento (figura 6.6 a). Los pedazos son generalmente cilindros de 2.5 a 7.5 cm de diámetro y de altura igual a dos diámetros

Pruebas TriaxialesSimulan el estado de esfuerzos en el que se encontraba la roca en el campo. El estado de esfuerzo es factible de representar con los esfuerzos normales principales (σ₁, σ₂, σ₃), los cuales son ortogonales entre sí. En los ensayos triaxiales, por simplicidad, los esfuerzos σ₂ y σ₃ permanecen constantes.

Ensayo de tensión indirecta

Ensayo de tensión directa

Sistemas de Clasificación de Macizos Rocosos

Desde comienzos de los años 70 se ha extendido el uso de sistemas de calificación y clasificación

geotécnica de macizos rocosos, los que emplean un índice de calidad geotécnica para calificar el macizo

rocoso, de acuerdo a esta calificación o “rating”, clasificarlo según su “calidad geotécnica”.

Actualmente los sistemas de calificación y clasificación

geotécnica de macizos rocosos más usados en la

industria minera son los siguientes:

Sistema de Bieniawski o calificación del macizo rocoso según el índice RMR (Bieniawski, 1973)

Permite hacer una clasificación de las rocas 'in situ‘, estimar el tiempo de mantenimiento y longitud de un vano.

Se utiliza usualmente en la construcción de túneles, de taludes y de cimentaciones.

Consta de un índice de calidad RMR (Rock Mass Ratting), independiente de la estructura, y de un factor de corrección

• La resistencia a compresión simple de la roca.

• El RQD (Rock Quality Designation). Es el porcentaje de recuperación de testigos de más de 10 cm de longitud (en su eje) sin tener en cuenta las roturas frescas del proceso de perforación respecto de la longitud total del sondeo.

• La separación entre las diaclasas y su estado.

• La presencia de agua freática.

Clasifica…

El método de clasificación de Bieniawski se desarrolló para estimar la

fortificación de túneles en función del índice RMR de calidad geotécnica,

definido como:

P(x) Es el puntaje asociado al parámetro x.

UCS Es la resistencia en compresión uniaxial de la roca “intacta”, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (si UCS < 1 MPa) a 15 (si UCS > 250 MPa).

RQD Es la designación de la calidad de la roca definida por Deere et al. (1967), y el puntaje asociado a la misma puede variar de 3 (si RQD < 25%) a 20 (si 90 < RQD ≤ 100).}

S El espaciamiento entre las estructuras, y el puntaje asociado al mismo puede variar de 5 (si s < 60 mm) a 20 (si s > 2 m).

JC Es la condición de las estructuras, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (en el caso de estructuras continuas y abiertas más de 5 mm, o con rellenos arcillosos blandos de potencia mayor a 5 mm) a 30 (en el caso de estructuras

discontinuas, muy rugosas, cerradas y sin alteración de su roca de caja).

WC Es la condición de aguas, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (en el caso de estructuras con flujo de aguas que se traduce en un gasto de más de 125 lt/min en un tramo de túnel de 10 m de longitud, o donde la presión del

agua excede el 50% del esfuerzo principal mayor) a 15 (en el caso de estructuras completamente secas).

RMR = P(UCS) + P(RQD) + P(s) + P(JC) + P(WC)

Sistema de Laubscher o calificación del macizo rocoso según los índices RMR y MRMR

El método de clasificación de Laubscher (1975) se desarrolló

como una variante del método de Bieniawski orientada a

aplicaciones mineras, definiendo la calidad geotécnica del macizo

rocoso in situ mediante un índice IRMR 1, que luego se modifica

para definir un índice de calidad geotécnico-minera, MRMR (Mining Rock Mass Rating).

IRMR = P(BS) + P(JS) + P(JC)

P(x) es el puntaje asociado al parámetro x.

BS es la resistencia en compresión uniaxial de los bloques de roca que conforman el macizo rocoso; la cual depende de la resistencia de la roca “intacta” (denominada IRS en el método de Laubscher), y la presencia de vetillas. El puntaje asociado a BS puede variar de 0 (si BS = 0 MPa) a 25 (si BS ≥ 160 MPa).

JC es la condición de las estructuras, definida en términos de su rugosidad a escala intermedia y menor, de la alteración de la roca de caja, y de la potencia y competencia del material de relleno (si lo hay). El puntaje asociado a JC varía de 4 (estructuras planas y pulidas, con rellenos potentes de salbanda y fuerte alteración de la roca de caja) a 40 (estructuras ondulosas en varias direcciones, bien trabadas, sin alteración de la roca de caja y con rellenos decompetencia similar a la de la roca de caja).

JS es el espaciamiento de las estructuras abiertas, que incluye una corrección para tomar en cuenta la presencia de uno o dos sets de estructuras selladas (e.g. vetillas) con rellenos de resistencia menor a la de la roca de caja. El puntaje asociado a JS varía de 3 (3 sets de estructuras con un espaciamiento de 0.1 m) a 35 (1 set de estructuras con un espaciamiento de 2 m).

El índice IRMR se define como:

Sistema de Barton o calificación del macizo rocoso según el índice Q

El método de clasificación de Barton et al. (1974) se desarrolló para estimar la fortificación de túneles en función del índice Q de calidad geotécnica, definido como:

Donde el primer cociente corresponde a una estimación del tamaño de los bloques que conforman el macizo rocoso, el segundo cociente corresponde a una estimación de la resistencia al corte entre bloques, y el tercer cociente representa lo que Barton et al. (1974) denominan esfuerzo “activo”. Los parámetros que definen estos cocientes son:

RQD La designación de la calidad de la roca definida por Deere, que puede variar de 0 en macizos rocosos de muy mala calidad y a 100 en macizos rocosos de excelente calidad.

Jn Un coeficiente asociado al número de sets de estructuras presentes en el macizo rocoso “Joint Set Number”. Este puede variar de 0.5 en macizo masivo o con pocas estructuras y a 20 en roca totalmente disgregada o triturada.

Jr Coeficiente asociado a la rugosidad de las estructuras presentes en el macizo rocoso o “Joint Roughness Number”. Puede variar de 0.5 para estructuras planas y pulidas. A 5 en estructuras poco persistentes espaciadas a más de 3 m.

Ja “Joint Alteration Number”, este coeficiente esta asociado a la condición o grado de alteración de las estructuras presentes en el macizo rocoso que puede variar de 0.75 vetillas selladas en roca dura con rellenos resistentes y no degradables y a 20 estructuras con rellenos potentes de arcilla.

Jw Es un coeficiente asociado a la condición de aguas en las estructuras presentes en el macizo rocoso “Joint Water Reduction Factor”, que puede variar de 0.05 flujo notorio de aguas, permanente o que no decae en el tiempo y a 1, estructuras secas o con flujos mínimos de agua.

SRF “Stress Reduction Factor” es un coeficiente asociado al posible efecto de la condición de esfuerzos en el macizo rocoso , que puede variar de 0.05 concentraciones importantes de esfuerzos en roca competente y a 400 potencial ocurrencia de estallidos de roca.

Todos estos sistemas se desarrollaron con el propósito de evaluar la condición

de estabilidad y requerimientos de fortificación de excavaciones

subterráneas, y califican el macizo rocoso considerando básicamente tres

parámetros:

La resistencia de los bloques de roca que conforman el macizo rocoso (la resistencia de la roca, no del macizo rocoso), en términos de su magnitud absoluta o bien en términos de su magnitud relativa respecto al estado tensional in situ e inducido.

En general no se explicita si se trata de una definición en términos de esfuerzos efectivos o totales que definen un “esfuerzo activo”, pero comúnmente se supone que se trata de esfuerzos efectivos.

Parámetro A:

Parámetro B

La “blocosidad” del macizo rocoso, definida en forma indirecta mediante variables asociadas al grado de fracturamiento y/o espaciamiento de las estructuras del macizo rocoso.

Parámetro C:La condición de las discontinuidades que definen los bloques y, al mismo tiempo, la condición de contacto entre éstos. Definida considerando una serie de variables geológico-geotécnicas de tipo cualitativo.

El método del índice de resistencia geológica se desarrolló con el propósito de escalar la resistencia del macizo rocoso, definida de acuerdo al criterio de Hoek-Brown. Conforme con esto, este método solo considera los parámetros B (blocosidad del macizo rocoso) y C (condición de las discontinuidades) e ignora el parámetro A, ya que la resistencia de la roca es parte de la información de entrada en el criterio de Hoek-Brown.

Conforme con lo anterior, puede señalarse que estos métodos se han desarrollado suponiendo que el macizo rocoso se encuentra fracturado o intersectado por discontinuidades que definen bloques que, implícitamente, no conforman un conjunto masivo.

Por lo tanto, el caso de un macizo rocoso masivo corresponde a una condición extrema para estos métodos y, por lo tanto, a veces difícil de calificar con el detalle suficiente que permita diferenciar entre distintos tipos litológicos.

Método del índice de resistencia geológica, GSI (Hoek, 1994)

El índice de resistencia geológica GSI, fue desarrollado por Hoek (1994) para subsanar los

problemas detectados con el uso del índice RMR para evaluar la resistencia de macizos rocosos según el

criterio generalizado de Hoek-Brown

Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos:

RMS es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón.

JC Es la condición de las estructuraspresentes en el macizo rocoso.

La evaluación del GSI se hace por comparación del caso que interesa con las condiciones típicas, y el mismo puede variar de 0 a 100, lo que permite definir 5 clases de macizos rocosos:

· Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 £ GSI £ 20). · Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 <GSI £ 40). · Macizos de calidad REGULAR (Clase III, 40 <GSI £ 60). · Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 <GSI £ 80). · Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 <GSI £ 100)

Respecto al uso del índice GSI para caracterizar geotécnicamente el macizo rocoso, es conveniente indicar lo siguiente:

1.- No es aplicable en aquellos casos en que el comportamiento del macizo rocoso presenta un claro control estructural. De hecho, cuando el macizo presenta solo dos sets de estructuras el criterio de Hoek-Brown (para el cual fue desarrollado el GSI) debe aplicarse con mucho cuidado.

2.- No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que al evaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio de Hoek-Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”).

3.- No considera el espaciamiento entre estructuras, ya que éste está implícitamente incluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a mayor espaciamiento el macizo es más masivo y a menor espaciamiento es de mayor blocosidad).

4.- No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek-Brown se define en términos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”).

El índice GSI debe definirse en un rango y no como un valor específico. En la práctica es usual definir un rango de unos 15 puntos.

FACTOR DE RECUPERACIÓN EN PERFORACIÓN DE ROCAS

Primer procedimiento

Se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos .

A partir de los testigos obtenidos en la exploración. Medida del RQD en testigos de Exploración 150

Se deben incluir los discos del núcleo ocasionados

= Suma de la longitud de testigos superiores a 10 cm = Longitud total de sondeo

• (RQD) Rock Quality Designation• Desarrollado por Deere entre 1963 y 1967• Varios tipos de procedimientos

Segundo procedimiento

Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras por metro

RQD Determinado en el campo por el área de Geotecnia, en un tramo longitudinal de pared expuesta

RQD = 100 -( 0.1ג ) ג x (0.1 1 + ג )

Donde: ג = Nro. De Fisuras / Espacio

Tercer procedimiento

Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras por metro cúbico

(Jv)== Joint Volumétric number(Detail line)

Ejemplo:

si una fisura corta al eje x y al eje y, la contaremos bien en el eje x o en el eje y pero no en ambos.Para tener una mayor precisión, mediremos una longitud adecuada en cada eje y luego hallaremos el número de fisuras en un solo metro, haciendo una regla de 3 simple.

Jv(eje)=(# de fisuras / longitud del eje)

Porcentaje de RQD

RQD Rock mass quality

<25% muy pobre

25-50% pobre

50-75% normal

75-90% bueno

90-100% muy bueno

Comparativa

Recuperación de un sondeo

sondeos en suelo es un parámetro muy útil

sondeos en roca

Don U. Deere definió entre 1963 y 1967 su RQD, o Rock Quality Designation

Geotecnia ( mas comodo y facil de usar)

RQD pasó a formar parte de las clasificaciones geomecánicas más habituales

Usos

…que sea más o menos exacto, ya es otro tema…

Desventajas

• No sirve para suelos

• Se desarrolló para rocas ígneas

• No debe tenerse en cuenta en el caso de roturas por desecación,

retracción o tensiones longitudinales • Depende de la dirección del sondeo

• Hay que saber usarlo con precaución

BibliografíaGonzalez de Vallejo, L. I. (2004). Ingenieria Geologica. España: Person Educacion.

Ruiz V. , Gónzalez H. (2002). Geología Aplicada a la Ingeniería Civil .México: Limusa.

Lopez Marino, J. M. (2006). Geologia aplicada en la ingenieria civil. España: Editoriales Dossat.