U i id d Mi hUniversidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo

Facultad de Ingeniera Civil

Introduccin

Mecnica de rocas

Dr. Eleazar Arreygue Rocha

Introduccin

La mecnica de rocas se ocupa del estudio terico y prctico de lasp y ppropiedades y comportamiento mecnico de las rocas, y de su respuesta antela accin de fuerzas aplicadas en su entorno fsico.

Los distintos mbitos de aplicacin se pueden agrupar en aquellos en que elmaterial rocoso constituye la estructura (excavacin de tneles, galeras,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 seemplean como material de construccin (escolleras, pedraplenes, rellenos,etc.).

Las masas rocosas aparecen en la mayora de los casos afectadas pordiscontinuidades o superficies de debilidad que separan bloques de matrizrocosa o roca intacta constituyendo en conjunto los macizos rocosos.

Introduccin

Ambos mbitos son objeto de estudio de la mecnica de rocas, pero sonj , pprincipalmente los planos de discontinuidad los que determinan el carcterdiferencial de esta disciplina con respecto al estudio de los suelos, y los quehacen que la mecnica del medio rocoso presente un carcter discontinuo yanistropoanistropo.

La caracterizacin de las rocas y de los macizos rocosos y el estudio de sucomportamiento mecnico y deformacional son complejos debido a la granvariabilidad de caractersticas y propiedades que presentan y al elevadonmero de factores que los condicionan.

La finalidad de la mecnica de rocas es conocer y predecir el comportamientode los materiales rocosos ante la actuacin de las fuerzas internas y externasque se ejercen sobre ellos.

Introduccin

Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre lasrocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso el cualrocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cualresponde a estos cambios deformndose y/o rompindose. A nivelmicroscpico, las partculas minerales sufren desplazamientos y se puedengenerar planos de fractura como respuesta al nuevo estado de tensin.

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

Tensiones y deformacionesTensiones y deformaciones

Propiedades fsicas

Caractersticas geolgicas

Estructura geolgica y discontinuidades

Estado tensional

Ti l i Tiempo geolgico

Meteorizacin

Introduccin

EL MATERIAL COMO ROCA, DISCONTINUIDAD Y MACIZO ROCOSO

Antes de proceder a estudiar el comportamiento mecnico ocaractersticas fsicas de las rocas, conviene identificar el objetivo delestudio.

ROCA.- se entiende a un elemento constituido de partculas discretas,granulares o cristales, ligados entre s por fuerzas cohesivas de tipopermanente, sin discontinuidades.

MACIZO ROCOSO.- es el cuerpo fsico constituido por el conjunto del materialrocoso y la discontinuidad; el comportamiento mecnico del macizoy ; pdepende, del comportamiento de la roca y de la discontinuidad.

Introduccin

Mientras el material rocoso puede ser homogneo o heterogneo e istropoo anistropo, en relacin a las variaciones de las caractersticas fsicasp ,con la direccin, el macizo rocoso es necesariamente heterogneo yanistropo.

Introduccin

En trminos rigurosos, considerar simplemente el macizo rocoso como uncuerpo continuo homogneo e istropo al cul pueda aplicrsele lacuerpo continuo, homogneo e istropo al cul pueda aplicrsele lateora de la elasticidad. Actualmente se tiende a considerar el macizorocoso como un medio discontinuo en proximidad a la obra del proyecto,y un continuo ms all de una cierta distancia, funcin del VolumenR t tiRepresentativo.

Introduccin

Conviene tener presente el efecto escala, que est ligado a la naturaleza, confrecuencia no homognea del material y a la presencia de discontinuidad,g y p ,lleva a obtener resultados muy variables en la determinacin de lapropiedad de los macizos rocosos efectuada sobre muestras dedimensiones diferentes.

de la

roca

Valor constante de efectividad

Continuidad para grandes volmenes

Limite superior

e la

s pr

opie

dade

s d

Volumen de las rocas estudiadas

(R.E.V.) Volumen representativo elementalLimite inferior

Valo

res

de

Introduccin

ESCALA DE OBSERVACIONES

Es frecuente que durante un estudio geolgico aplicado, losproblemas encontrados obliguen a modificar la escala deobservaciones para poder analizar las caractersticas delmacizo rocoso.macizo rocoso.

Introduccin

MECNICA DE ROCAS Y MECNICA DE SUELOS

Una diferencia entre Roca y Suelo puede ser las fuerzas cohesivas queUna diferencia entre Roca y Suelo, puede ser las fuerzas cohesivas queligan a sus elementos.

Segn este criterio podemos definir el material rocoso como elagregado de minerales discretos ligados entre s por fuerzasagregado de minerales discretos, ligados entre s por fuerzascohesivas de carcter permanente; los suelos son, al contrario,agregados de minerales no ligados, o ligados entre s por fuerzascohesivas no permanentes.

Otra diferencia fundamental entre roca y suelo es la presencia, en losmacizos rocosos, de discontinuidades que tienen una influenciadetermnate en el comportamiento mecnico del conjunto.

Introduccin

MECNICA DE ROCAS Y MECNICA DE SUELOS

Introduccin

M t i M iMatriz rocosa Macizo rocoso

Origen geolgico Sedimentario gneo

Composicin mineralgica Litologa

gneo Metamrfico Densidad EstructuraHistoria geolgica Diagnesis

FbricaPorosidad

Discontinuidad

Tectnica Condiciones ambientales Erosin

PorosidadPermeabilidadAlterabilidad

Estado de esfuerzos

Hidrogeologa

V i i l Zonas alteradas yProcesos de alteracin y meteorizacin

Variacin en la composicin mineralgica

y en las propiedades

Zonas alteradas y meteorizadas.

Variacin de las propiedades.

Control geolgico de las propiedades de la matriz rocosa y del macizo rocoso

Introduccin

Los ensayos de laboratorio permiten cuantificar las propiedades fsicas ymecnicas de la matriz rocosa que definen su comportamiento mecnico:

La naturaleza de la roca

La resistencia ante la rotura

La deformacin a corto y largo plazo

La influencia del agua en el comportamiento

El comportamiento ante la meteorizacinEl comportamiento ante la meteorizacin

El comportamiento en funcin del tiempo.

Los ensayos in situ miden las propiedades de los macizos rocosos ensu estado y condiciones naturales y a escalas representativas, ademsde permitir simular sobre el terreno situaciones a las que se puede ver

tid l i l t i b t tsometido el macizo al construir una obra o estructura.

Macizo rocoso. Bloques de arenisca del Buntsand-stein independizados por

Dimensiones de las obras de ingeniera con respecto a la estructura del macizo y a la

discontinuidades. separacin entre discontinuidades.

Alternancia de materiales rocosos con diferente composicin y estructura en un talud de un

macizo volcnico, que se manifiesta en distintos grados de alteracin, resistencia y

Material arcilloso muy alterado con caractersticas comunes de las rocas y los

suelos.g , y

comportamiento mecnico.

Rocas y suelos

L d t l d t d t lLas rocas son agregados naturales duros y compactos de partculasminerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente seconsideran un sistema continuo. La proporcin de diferentes minerales, laestructura granular, la textura y el origen de la roca sirven para su clasificacing , y g pgeolgica.

Los suelos segn su aceptacin en ingeniera geolgica son agregadosLos suelos, segn su aceptacin en ingeniera geolgica, son agregadosnaturales de granos minerales unidos por fuerzas de contacto normales ytangenciales a las superficies de las partculas adyacentes, separables pormedios mecnicos de poca energa o por agitacin en agua.

A diferencia de los suelos, la composicin, caractersticas y propiedades delas rocas son altamente variables confiriendo a los materiales naturales unlas rocas son altamente variables, confiriendo a los materiales naturales uncarcter heterogneo y anistropo, lo que hace que el estudio la modelizacinde su comportamiento en el laboratorio sea una labor difcil, debido, entreotros factores, a los problemas asociados a la obtencin de muestrasrepresentativas y a la escala de trabajo.

Las rocas estn afectadas por procesos geolgicos y ambientales que danlugar a su fracturacin, alteracin y meteorizacin.

En cuanto a las propiedades fsicas y mecnicas, algunas de las principalescaractersticas diferenciales de las rocas son:

Generacin de mecanismos y superficies de fractura en los procesos deGeneracin de mecanismos y superficies de fractura en los procesos dedeformacin.

Mdulos de deformacin altos en comparacin con los suelos.

B j bilid d i l l Baja permeabilidad en comparacin con los suelos.

Un criterio ampliamente extendido para el establecimiento de los lmites entrep psuelo y roca es el valor de la resistencia a compresin simple, o mximoesfuerzo que soporta una probeta antes de romper al ser cargada axialmenteen laboratorio. En la zona de transicin se encontraran los denominadossuelos duros y rocas blandassuelos duros y rocas blandas.

Los lmites sugeridos por diferentes clasificaciones y autores han idoLos lmites sugeridos por diferentes clasificaciones y autores han idorebajndose hasta 1 o 1.25 Mpa debido a que algunas rocas muy blandaspresentan resistencia de este orden, valor que actualmente se consideraadecuado.

De una forma simplificada las rocas se pueden clasificar, en base a sucomposicin, relaciones geomtricas de sus partculas (textura) yp g p ( ) ycaractersticas genticas, en los siguientes grupos:

Rocas sedimentarias;

Rocas gneas; Rocas gneas;

Rocas metamrficas.

Macizos rocosos

Macizos rocosos

Esta estructura en bloques confiere una naturaleza discontinua a losEsta estructura en bloques confiere una naturaleza discontinua a losconjuntos rocosos en cuanto a sus propiedades y a su comportamiento.Adems la presencia de discontinuidades sistemticas con determinadaorientacin, como los planos de estratificacin o superficies de laminacin,i li t i t i t d i l i d d iimplica un comportamiento anistropo, es decir, las propiedades mecnicascambian segn la direccin considerada.

Otra caracterstica de los macizos rocosos es su hetereogeneidad ovariabilidad de propiedades fsicas y mecnicas en distintas zonas del macizorocoso.

Matriz rocosa intacta istropa y homognea a escala

macroscopica. Toba volcnica.Macizo rocoso fracturado con varias familias de discontinuidades y zonas a as de d sco t u dades y o as

con diferente grado de alteracin. Areniscas.

Macizos rocosos

Las superficies de discontinuidadconstituyen planos de debilidad quegobiernan, en la mayora de loscasos, el comportamientogeomecnico de los macizosrocosos al condicionar la resistenciarocosos, al condicionar la resistenciadel conjunto y los mecanismos yzonas de deformacin y rotura.

La presencia de discontinuidadessingulares en los macizos rocosos,de mayor escala que las familiasde mayor escala que las familiassistemticas, como planos de falla,diques o superficies de separacinlitolgica, puede controlar su

t i t iFalla atravesando un macizo

rocoso calcreo.

comportamiento mecnico, porencima de las familias sistemticas.

Macizos rocosos

Los factores geolgicos que dominan el comportamiento y las propiedadesmecnicas de los macizos rocosos son:

La litologa y propiedades de la matriz rocosa.

La estructura geolgica y las discontinuidades.

El estado de esfuerzos a que est sometido el material.

El grado de alteracin o meteorizacin.

Las condiciones hidrogeolgicas Las condiciones hidrogeolgicas.

El tipo de roca y su grado de alteracin determinan las propiedadesresistentes de la matriz rocosa. La estructura geolgica del macizo rocosodefine zonas y planos de debilidad, concentracin de tensiones, zonasproclives a la meteorizacin, caminos de flujo de agua, etc.

Macizos rocosos

Los esfuerzos que actan sobre las rocas determinan los modelos deLos esfuerzos que actan sobre las rocas determinan los modelos dedeformacin y el comportamiento mecnico del conjunto del macizo; el estadode esfuerzos es consecuencia de la historia geolgica, aunque elconocimiento de sta no es suficiente para su evaluacin cuantitativa.

Un aspecto importante en el estudio de los macizos rocosos es la influenciade los procesos de alteracin o meteorizacin sobre algunos tipos de rocasp g ppoco resistentes como las margas, lutitas, pizarras arcillosas, etc., cuyaspropiedades varan considerablemente con el paso del tiempo ante suexposicin a las condiciones atmosfricas o a la accin del agua, o debido alcambio en el estado de esfuerzos factores que suelen ir asociadoscambio en el estado de esfuerzos, factores que suelen ir asociados.

En el caso de construccin de una obra de ingeniera sobre o en este tipo demateriales, debe tenerse en cuenta que su resistencia puede disminuirdespus de un tiempo hasta alcanzar el lmite de estabilidad.

Macizos rocosos

Las caractersticas litolgicas y estructurales y las condiciones ambientales determinan la gran variabilidad de las propiedades fsicas y mecnicas de los macizos rocosos. La foto de la izquierda corresponde a un macizo blando y alterable con litologas de diferente competencia y estructura en

capas horizontales con pocas discontinuidades tectnicas El macizo rocoso de la derecha estacapas horizontales, con pocas discontinuidades tectnicas. El macizo rocoso de la derecha esta formado por roca dura competente, con finos estratos replegados y afectado por fracturacin

intensa.