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Curso: geología aplicada
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de INGENIERÍA
Escuela Académico Profesional de INGENIERÍA HIDRÁULICA
Capítulo I: Introducción a la mecánica de Rocas
• 1.1 Introducción, conceptos generales.
• 1.2 Introducción a la mecánica de Rocas
• 1.3 Deformación de las Rocas.
• 1.4 Cargas y esfuerzos que están sometidas las rocas.
• 1.5 Modulo de elasticidad.
• 1.6 Esfuerzo de trabajo de las rocas.
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MECÁNICA DE ROCAS
• PROPÓSITO. Impartir los conocimientos y las herramientas de
cálculo necesarios para llevar a cabo de manera racional y eficiente
las mencionadas tareas del diseño geotécnico.
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¿ MACIZOS ROCOSOS?
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Introducción a la mecánica de rocas.
Discontinuidades: Es cualquier plano de origen
mecánico o sedimentário que independiza o
separa los bloques de matriz rocosa en un macizo
rocoso.
Matriz Rocosa: Material rocoso exento
de discontinuidades o los bloques de
“roca intacta” que quedan entre ellas.
MATRIZ ROCOSA DISCONTINUIDADES
La Mecánica de Rocas se encarga
del estudio teórico y práctico de
las propiedades y comportamiento
mecánico de los materiales
rocosos, y de su respuesta ante la
acción de fuerzas aplicadas en su
entorno físico.
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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.
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Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se
agrupan en:
1) Cuando el material rocoso
constituye la estructura
(excavaciones de túneles,
galerías, taludes, etc.).
2) Cuando la roca es el soporte de
otras estructuras
(cimentaciones de edificios,
presas, etc.).
3) Cuando las rocas son
empleadas como material de
construcción (escolleras,
pedraplenes, rellenos, etc.).
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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.
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El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a
soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite
evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y
obras de ingeniería.
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La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos
de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de
los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.
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DEFORMACIÓN DE
LAS ROCAS
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Cuando hablamos de deformaciones, hablamos de desplazamientos
diferenciales en el seno de una roca o de un material artificial (ala de un
Avión, edificio….)
…desplazamientos que están asociados a unos esfuerzos y
unas
condiciones de contorno
El ingeniero prevé que le ocurrirá a la estructura (en este caso artificial
(embalse, edificio….) o modificada (talud) cuando se la someta a
esfuerzos
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FACTORES PRINCIPALES QUE CONTROLAN LA DEFORMACIÓN
DE LAS ROCAS
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El comportamiento tensión deformación, o esfuerzo –deformación, de un cuerpo
viene defino por la relación entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones
producidas y hace referencia a como se va deformando y como va variando el
comportamiento del material rocoso a lo largo de la aplicación de la carga.
Relaciones tensión - deformación
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Modelos de comportamiento tensión - deformación de las rocas
El comportamiento de las rocas puede clasificarse de forma general y simplificada
en:
Frágil, con deformaciones elásticas típico de rocas duras y resistentes
Frágil - dúctil: con deformaciones elásticas y plásticas no recuperables; típico
de rocas blandas poco resistentes
Dúctil, con deformaciones plásticas predominantes (permanentes)
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FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1. La Litología y propiedades de la matriz rocosa.
2. La estructura geológica y las discontinuidades.
3. El estado de esfuerzos a que está sometido el material.
4. El grado de alteración o meteorización.
5. Las condiciones Hidrogeológicas.
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METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS
1. PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO
a) Formación de hielo
b) Insolación
c) Formación de sales
d) Hidratación
e) Capilaridad
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2. PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN
QUÍMICO
a) Disolución
b) Hidratación
c) Hidrólisis
d) Oxidación y Reducción
METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS
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EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS
PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS
El agua como material geológico coexistente con
las rocas influye en su comportamiento mecánico
y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas
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Los efectos más importantes son:
1) Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los
materiales meteorizados.
2) Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.
3) Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su
resistencia.
4) Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades
importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua.
5) Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos
rocosos
6) Es un agente erosivo
7) Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la
composición del agua
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El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y
permitir que las piezas de rocas se muevan.
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En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de
aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento
de la roca será muy rápido.
La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influye
significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS
ROCOSOS
Los macizos rocosos se clasifican basados
en factores que determinen su
comportamiento mecánico.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1) Propiedades de la matriz rocosa.
2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:
- El grado de fracturación (índice RQD)
- El tamaño y la forma del macizo.
- Sus propiedades hidrogeológicas.
3) Grado de Meteorización o Alteración.
4) Estado de Tensiones In Situ
5) Presencia de agua
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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.
MATRIZ ROCOSA
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Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las
discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso.
Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos,
anisótropos y heterogéneos. Prácticamente pueden considerarse
que presentan una resistencia a la tracción nula.
MACIZO
ROCOSO
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DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIÓN DESDE LA ROCA INTACTA
HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.
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Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental
para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del
macizo rocoso.
DISCONTINUIDADES
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Discontinuidades
La mayoría de los problemas de estabilidad se deben a la intersección de la sección del túnel
con planos de discontinuidad
Se distinguen las
discontinuidades de tipo
singular. Las diaclasas,
planos de estratificación y de
esquistosidad pertenecen al
primer grupo, y están
presentes prácticamente en
todas las rocas, con mayor
incidencia en zonas poco
profundas, donde los
procesos de meteorización y
circulación de agua y los
rellenos arcillosos son mas
frecuentes. A grandes
profundidades la presión
confinante hace que la
apertura de las
discontinuidades sea menor
pudiendo llegar a estar muy
cerradas.
Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que
independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo
rocoso. Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de
discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecánico queda
caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del
material de relleno.
Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales
dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las
operaciones de minado.
DISCONTINUIDADES
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La presencia de planos de debilidad de orientaciones
preferentes (estratificación, laminación, familia de
diaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades y
comportamiento mecánico en función de la dirección
considerada. También la orientación de los esfuerzos que
se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una
anisotropía asociada al estado tensional.
ANISOTROPIA
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MACIZO ROCOSO
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DISCONTINUIDADES DE LA MASA
ROCOSA
Los principales tipos de discontinuidades
presentes en la masa rocosa son:
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PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN
Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.
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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.
FALLAS
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Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde
ha ocurrido fallamiento de la roca.
ZONAS DE CORTE
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También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las
que más comúnmente se presentan en la masa rocosa
DIACLASAS
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PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD
Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la
apariencia de hojas o láminas.
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CONTACTOS LITOLÓGICOS Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.
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VENILLAS Son rellenos de las fracturas con otros materiales
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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 o subverticales.
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PROPIEDADES DE LAS
DISCONTINUIDADES
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ORIENTACIÓN
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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
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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
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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
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Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto
menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos
competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente
APERTURA
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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
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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.
PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES
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REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES
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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA
De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa,
ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada.
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Si la roca intacta es dura o resistente y las
discontinuidades tienen propiedades
favorables, la masa rocosa será competente y
presentará condiciones favorables cuando sea
excavada.
Si la roca intacta es débil o de baja resistencia
y las discontinuidades presentan propiedades
desfavorables, la masa rocosa será incompetente
y presentará condiciones desfavorables cuando
sea excavada.
Habrá situaciones intermedias entre los
extremos antes mencionados donde la roca
tendrá condiciones regulares cuando sea
excavada.
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 o en
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EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
1.La resistencia compresiva (Rc)
De la roca intacta, que puede ser determinada con golpes
de picota o con otros procedimientos como los ensayos
de laboratorio.
Puede ser determinado utilizando los testigos de las
perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de
trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la
longitud total del taladro.
2.El RQD (Rock Quality Designation)
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TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA
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3.El espaciamiento de las
discontinuidades.
4.La condición de las discontinuidades,
referidas en este caso a la persistencia,
apertura, rugosidad, relleno y
meteorización.
5.La presencia de agua.
EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
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PROPIEDADES DE LA
MATRIZ ROCOSA
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PROPIEDADES FISICAS
Controlan las características resistentes y
deformacionales de la matriz rocosa, y son el
resultado de la génesis, condiciones y procesos
geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a
lo largo de su historia.
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1.Composición Mineralógica
2.Fábrica, textura
3.Porosidad
4.Peso Específico
5.Contenido de humedad
6.Permeabilidad
7.Durabilidad (Alterabilidad)
PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES
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PROPIEDADES MECANICAS
1.Resistencia a la Compresión Simple
2.Resistencia a la tracción
3.Velocidad de propagación de las ondas elásticas
4.Resistencia
5.Deformabilidad
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En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos
influyen además las Características Geológicas:
1) Litológicas
2) Estratigrafía
3) Estructura Geológica
4) Discontinuidades tectónicas o Diagénicas
5) Estados de esfuerzos In Situ
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Escuela Académico Profesional de INGENIERÍA HIDRAÚLICA
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ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES
La roca puede ser minada con mayor seguridad
en una dirección que en otra, la
dirección preferencial de avance de la excavación
es determinada por el rasgo
estructural dominante de la masa rocosa.
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Minar en la dirección preferencial de
avance, significará tener condiciones más
ventajosas para la estabilidad de la
excavación. Contrariamente, minar en la
dirección de avance menos favorable,
puede alterar o debilitar la estabilidad de la
masa rocosa durante la vida de la mina,
representando peligro de caída de rocas.
ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES
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Si una excavación avanza en forma paralela a un
sistema principal de
discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas
principales y zonas de corte, las
condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán
muy desfavorables por el
debilitamiento de la roca, principalmente cuando el
buzamiento de estas
estructuras es mayor de 45 °.
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Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura
rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la
excavación, las mismas que presentan inestabilidad.
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En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca
es una constante
preocupación, particularmente si la excavación avanza
cerca de una falla
geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el
área ubicada entre la
falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la
resistencia de la roca, puede
ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir
reventazones y hasta
estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.
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Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza
paralela a una falla
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Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura
rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la
excavación, las mismas que presentan buena estabilidad.
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El principio señalado también es aplicable al caso de
cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje
de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino
que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el
rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la
excavación, en este caso, las mismas familias de
discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la
excavación
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En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña
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Así mismo, el mencionado principio también
es aplicable al caso de labores mineras en
zonas de pliegues con anticlinales y
sinclinales. En este caso, la ubicación y
dirección de avance de las excavaciones
influirán en las condiciones de
estabilidad de las excavaciones.
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En general, las labores cuyo
avance es perpendicular a los
ejes de los plegamientos,
presentarán mejores
condiciones de estabilidad
respecto a las orientadas en
forma paralela a los ejes,
siendo las más desfavorables
las paralelas a los ejes de los
sinclinales por la
concentración de los flujos
de agua y de los esfuerzos.
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Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles
y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una
mina.
(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy
desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo de
condiciones desfavorables.
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Al definir un volumen de macizo rocoso, implícitamente estamos también
definiendo el tamaño de los “trozos de roca” y de las estructuras que
conforman este volumen a estudiar
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