Cap 1
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
MECANICA DE ROCAS INTRODUCCIN A LA MCANICA DE ROCAS
DOCENTE: ING. ROBERTO GONZALES YANA
J. Talobre
Ciencia que estudia el comportamiento de las rocas
S.A.M.R. (1962)
Rama de la Mecnica que estudia la reaccin de los materiales antes los campos de esfuerzos activos en su entorno fsico
Mecnica de Rocas es la ciencia terica y aplicada del comportamiento mecnico de las rocas; es aquella rama de la mecnica relacionada con la respuesta de las rocas sujetas a fuerzas de distinta naturaleza
OBJETIVOS PRINCIPALES DE LA MECNICA DE ROCAS
Trata problemas tcnicos
MECANICA DE ROCAS EN LA INGENIERIA
Estudia el comportamiento fsico-mecnico
Estabilidad del macizo rocoso en obras de ingeniera
Explotaciones mineras
Tneles
Excavaciones en general
Perforaciones
Estabilizacin de taludes
FACTORES PRINCIPALES QUE CONTROLAN LA DEFORMACION DE LAS ROCAS
PROPIEDADES NTRINSICOS DE LAS ROCAS
-Tipo de roca - Cohesin - Grado de alteracin - Etc. - Esfuerzos iniciales - Esfuerzos residuales - Esfuerzos tectnicos - Etc. - Humedad - Contenido de agua - Erosin - Etc.
ESTADOS DE ESFUERZOS
PROPIEDADES AMBIENTALES
FUNDAMENTO TERICO
Por medio de la clasificacin se llega a calcular un ndice caracterstico de la roca, que permite describir numricamente la calidad de la misma.
CAMPO DE APLICACIONLa mecnica de rocas como ciencia tiene un amplio campo de aplicacin ya sea para la prevencin de eventos geolgicos y el reforzamiento de estructuras rocosas segn sean las caractersticas del masciso rocoso.
CLASIFICACIONRMRLa estabilidad de tneles taludes y cimentaciones
rocas estratificadas
GSI
DMR
construccin de presas
EN LA INGENIERIA DE MINAS La mecnica de rocas, como una prctica aplicada a la ingeniera de minas, es concerniente a las aplicaciones de los principios de la ingeniera mecnica al diseo de las estructuras de roca generadas por la actividad minera.
Respuesta
EN LA EXTRACCION DE PETROLEOESFUERZOS EN EL SUBSUELO Los esfuerzos que actan sobre una formacin pueden variar en su origen, magnitud y direccin. Los esfuerzos locales verticales naturales son originados fundamentalmente por el peso de los estratos de sobrecarga. Los esfuerzos horizontales poseen adems un componente gravitacional que puede ser intensificado por la tectnica, los efectos trmicos y la estructura geolgica.
MODELO EN 3D
INSTRUMENTOS
EN CONTROL DE TALUDES
CAUSAS QUE PRODUCEN LA DISMINUCION DE LA RESISTENCIA Presin de agua intersticial. Destruccin de la estructura del suelo por vibracin o actividad ssmica. Perdida de la tensin capilar por secamiento.
EN CIMENTACION SUPERFICIAL
COMPOSICIN MINERALGICA DE LAS ROCAS.Estn constituidas por la agrupacin de granos de uno o distintos minerales en proporciones variables. xidos. Corindn, Hematites, Ilmenita, Limonita, Magnetita. Silicatos. Feldespatos, Piroxenos, Olivinos , Cuarzo, Micas, Hornablenda , Serpentina , Zeolita. Carbonatos. Calcita, Dolomita Sulfatos. Yeso,Anhidrita
LA TEXTURA DE LAS ROCASEs el tamao, forma y disposicin de los minerales componentes en las rocas. LA TEXTURA DE LAS ROCAS GNEAS. Grado de cristalinidad Holocristalina
Holohialina
Merocristalina
Tamao de los cristales FanerticaAfantica
TEXTURA DE LAS ROCAS GNEAS Distribucin de tamaos de los cristales
Equigranular
Inequigranular
Porfirtica
TEXTURAS DE LAS ROCAS METAMRFICAS
Grado de cristalinidadBajo
Medio
Alto
TEXTURA DE LAS ROCAS METAMRFICAS Forma y distribucin de tamaos de los cristales
Granoblstica
Lepidoblstica
Nematoblstica
porfidoblstica
TEXTURAS DE LAS ROCAS METAMRFICAS
MicroestructurasPizarrosidad
Esquistosidad
TEXTURA DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS Textura clstica TEXTURAS DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS Textura no clstica Ooltica Pisoltica Porfiroblstica
Amorfa
Esferultica
Sacaroide
PROPIEDADES DE LAS ROCASLas propiedades de las rocas se clasifican generalmente como fsicas y mecnicas.
PROPIEDADES FSICASIsotropa. no vara sus propiedades fsicas con el cambio direccin en la que se mida la propiedad. En este caso, se dice que la propiedad es escalar. Anisotropa. vara sus propiedades fsicas con el cambio direccin en la que se mida la propiedad. En este caso, se dice que la propiedad es vectorial.
PROPIEDADES FSICAS DE LAS ROCAS Densidad. La densidad es la relacin entre la masa y el volumen de la sustancia, midindose en unidades de masa/unidades de volumen (kg/m3). = M/V Donde: : es la densidad (kg/m3), M: es la masa (kg) de la sustancia y V: es el volumen (m3) de la parte impermeable de la sustancia. Densidad (kg/m3) de algunas rocas (de Komar, 1987).Roca Granito Densidad (kg/m3) 2700-2800
Arena cuarzosaCaliza
2600-27002400-2600
PROPIEDADES FSICAS DE LAS ROCAS Peso especfico. Es la relacin numrica entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de agua a 4C = p/v Donde: = Peso especfico, p = peso, v = volumen Porosidad. Es el volumen de espacios abiertos que contiene relativo a su volumen total. P = (Vp / V0) * 100 = {[ (V0 - VRoca )] / V0}*100 Donde: P: es la porosidad total (%), Vp (m3): es el volumen de poros, VRoca (m3): es el volumen roca y Vo (m3): es el volumen total de la muestra.
PROPIEDADES FSICAS DE LAS ROCAS Porosidad. Teniendo en cuenta que la relacin entre masa, volumen y densidad. P = (1 0/) * 100 Donde: P: es la porosidad total (%) o: es la densidad global del material (kg/m3) y : es la densidad real de la sustancia (kg/m3). Porosidad (%) de rocas (de Winkler, 1973 y Komar, 1987). Roca Porosidad (%) Caliza Arenisca Basalto 5.0-20.0 5.0-25.0 0.1-1.0
PROPIEDADES FSICAS DE LAS ROCASAbsorcin de Agua. Es la incorporacin o asimilacin de lquidos en el interior del sistema poroso de la roca. Ecuacin para calcular la cantidad de agua absorbida: Wt = [(Mt M0) / M0] * 100 Donde: Wt (%): es el contenido de agua absorbida en el tiempo t (s), Mt (kg): es el peso medido en el tiempo t (s) y Mo (kg): es el peso seco de la muestra.
PROPIEDADES MCANICAS DE LAS ROCASEs capacidad de la roca para resistir acciones externas o internas que implican la aplicacin de fuerzas sobre el mismo. estas fuerzas son de compresin y tensin. Resistencia a la Compresin Es la carga (o peso) por unidad de rea a la que el material falla (se rompe) por fracturacin por cizalla o extensional debido a un esfuerzo aplicado.
Resistencia a la CompresinEl esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por seccin o superficie: = F /S Donde: F : es la fuerza aplicada longitudinalmente, S es la seccin y es el esfuerzo lineal expresado en Pa (N/m2). La deformacin lineal es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud original: = (lf l0) / l0 = l / l0
Donde: l0 (m): es la longitud original lf (m): es la longitud final l (m): es el incremento de longitud.
Resistencia a la CompresinLa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacin en el tramo de la ley de Hooke permite definir el mdulo de Young o mdulo de elasticidad (E). E=/
Resistencia a la compresin de Roca rocas (modificado de Winkler, 1973).(Mpa)Granito Sienita Gabro 97 - 310 186 - 434 124 - 303
algunas
CalizaArenisca Pizarra
14 - 25534 - 248 138 - 207
PROPIEDADES MCANICAS DE LAS ROCASResistencia a la Tensin Es el esfuerzo tensional por unidad de rea a la que el material falla (se rompe) por fracturacin extensional. Resistencia a la tensin (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian y Ho, 1981).rocas resistencia a la tensin (Mpa) Basalto Conglomerado Calizas Arenisca Arenisca calcrea 8.6 29.7 4.2 - 5.8 1.1 -1.7 4.3
PROPIEDADES MCANICAS DE LAS ROCASFatiga Cuando los materiales sufren esfuerzos de forma cclica sin llegar al punto de ruptura, se observa un debilitamiento mecnico de los mismos con el tiempo. Esto implica una prdida de sus propiedades mecnicas, que puede dar lugar a la fracturacin.
Dureza Es la resistencia de la roca para resistir la penetracin de otro cuerpo, la dureza se ha considerado clsicamente como la resistencia que presenta un mineral a ser rayado por otro mineral o material se utiliza la escala de F. Mohs.
CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR SU ORIGEN O GNESIS
ROCAUna roca es un agregado slido de minerales de origen natural. Las rocas pueden estar formadas por un solo tipo o por muy diversos tipos de minerales
GRANITO
HALITA MECNICA DE ROCAS
CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR SU ORIGEN O GNESIS
ROCAUna roca es un agregado slido de minerales de origen natural. Las rocas pueden estar formadas por un solo tipo o por muy diversos tipos de minerales
GRANITO
SAL GEMA
MECNICA DE ROCAS
FORMACIN DE LAS ROCAS.Las Rocas se formanPor enfriamiento del magma. Por deposicin de restos animales y vegetales Por precipitacin de sales inorgnicas contenidas en las aguas
FORMACIN DE LAS ROCAS.Las Rocas se forman
Por desintegracin transporte y deposicin.
Por la condensacin de gases que contienen partculas minerales
Por recristalizacin parcial o total de los minerales de una roca debida a elevadas temperaturas y fuertes presiones
CICLO DE LAS ROCAS.
CICLO DE LAS ROCAS.
CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR SU ORIGEN O GNESIS.
IGNEAS
ROCAS METAMRFICAS
ROCAS SEDIMENTARIAS
R. Plutnicas, intrusivas o abisales. R. Filonianas.
R. Efusivas, extrusivas, volcnicas.
arenisca
gabro
traquita
ROCAS IGNEASFormadas en un ambiente profundo de altas presiones y altas temperaturas. Cuando enfran en el interior terrestre son rocas granudas o fanerticas; cuando enfran sobre la superficie terrestre generalmente son afanticas. Son las ms importantes en cuanto a su dureza, son rocas que se forman por enfriamiento y solidificacin del magma. Constituyen el 90% de la corteza terrestre. Sus principales componentes son los silicatos.
ROCAS METAMRFICAS Se originan por recristalizacin de rocas preexistentes, las que al ser sometidas a altas presiones y elevadas temperaturas sufren un arreglo molecular y en su estructura.
ROCAS SEDIMENTARIASPor deposicin de restos provenientes de la desintegracin de las rocas preexistentes. Por la precipitacin de sales inorgnicas contenidas en el agua. Por la deposicin de sustancias orgnicas (vegetales y animales).
Por la condensacin de gases que contienen partculas minerales.
IMPORTANCIA DE LAS ROCAS, EN MECNICA DE ROCAS
Es fundamental ya que es la ciencia que estudia el comportamiento mecnico de las rocas y de los macizos rocosos ante los campos de fuerza (esfuerzos).
Tnel
IMPORTANCIA DE LAS ROCAS ,EN MECNICA DE ROCAS
El conocimiento del comportamiento de las rocas ante diferentes tipos y magnitudes de esfuerzos, es de vital importancia en la reconstruccin de los fenmenos tectnicos que han sucedido en el pasado de nuestro planeta, pero tambin es de vital importancia para la determinacin de la resistencia de los terrenos ante edificaciones y otros tipos de obras pblicas.
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
CLASIFICACIN GEOLGICA O LITOLGICA:
M E C N I C AD E R O C A S
Esta es una tarea de observacin, mediciones y ensayos para obtener parmetros cuantitativos y tiles al diseo ingenieril. La caracterizacin apropiada de los macizos rocosos, adems de ser la base para el diseo de las obras, contribuye a la optimizacin del mtodo constructivo, da va al mejoramiento del macizo (anclajes, inyecciones, drenajes, etc.) y permite la programacin de observaciones durante el funcionamiento de las obras.
La informacin estructural, que a menudo se obtiene mediante mapeo geolgico provee una informacin muy importante, por lo cual, se debe mencionar que, el trabajo realizado por los ingenieros gelogos para una clasificacin litolgica del macizo rocoso es muy importante en el modelo geolgico.
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASPero una descripcin detallada de la roca, la cual incluira datos litolgicos (Qumicos, mineralgicos y petrogrficos) no contribuye con una informacin ms detallada para los propsitos de la mecnica de rocas. El anlisis petrogrfico podra incluir informacin acerca de la textura y origen, la cual podra proveer informacin importante geolgicamente. Por ejemplo, de una manera indirecta la magnitud de la resistencia y la naturaleza de las propiedades de deformacin pueden ser deducidas de este anlisis. As se tiene, que las microfracturas pueden ser detectadas en los cristales de cuarzo en un granito, las cuales serian significativas con respecto a la resistencia del granito, sin embargo, ste estudio sera un mtodo de alto costo para obtener tal informacin, cuando existen pruebas directas de resistencia de las rocas, las cuales podran dar los mismos resultados y a un costo mucho menor
M E C N I C A D E
R O C A S
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASLas rocas se pueden clasificar atendiendo a criterios tales como la composicin qumica, la textura, la permeabilidad, entre otros. En cualquier caso, el criterio ms usado es el origen, es decir, el mecanismo de su formacin. EL CICLO DE LAS ROCAS: En el contexto del tiempo geolgico las rocas sufren transformaciones debido a distintos procesos. Los agentes geolgicos externos producen la meteorizacin, erosin y sedimentacin de las rocas de la superficie. El orden de este ciclo no es rgido. Una roca gnea, por ejemplo, puede transformarse en metamrfica por efecto del calor y la presin sin pasar por la fase sedimentaria. Asimismo, las rocas sedimentarias y metamrficas pueden convertirse en material que forma nuevas rocas sedimentarias.
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASEL CICLO DE LAS ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS Son muy resistentes, isotrpicas, rgidas, frgiles, densas y de textura entrabada. Su inconveniente se da por presencia de materiales alterables y diaclasamiento.R. gneas:
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
LAS ROCAS GNEAS PLUTNICAS: Tienenminerales resistentes, entrabados, se da fallamiento en escalonado de minerales porque sus minerales o cristales son diferentes.
GRANITO
TONALITA
GABRO
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
LAS
ROCAS
GNEAS
VOLCNICAS:
Muestran heterogeneidad de minerales; hay falla en poros que afectan la roca, la porosidad le da plasticidad a la masa que si es de rocas masivas resulta poco porosa.
RIOLITA
LATITA
ANDESITA
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASLAS ROCAS SEDIMENTARIAS:
Tienen resistencia media a baja son ortotrpicas, poco rgidas, dctiles, porosas y presentan textura cementadalaminada. Su inconveniente es la ortotropa que hace difciles los clculos de estabilidad y comportamiento del macizo. En las rocas sedimentarias la resistencia depende del grado de cementacin y de su densidad. Ella aumenta cuando los granos son finos; si hay disolucin en la masa hay porosidad. Los planos de estratificacin son zonas de debilidad.
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
COMPACTACIN
CIMENTACIN
BRECHA
CONGLOMERADO
OOLITO CALCREO
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
LAS ROCAS METAMRFICAS:
Se caracterizanpor una resistencia medio alta, su ortotropa, tenacidad, textura entrabada y baja porosidad. Hay rigidez en el sentido paralelo y plasticidad en el perpendicular, con relacin a los planos de clivaje. Su ortotropa dificulta los clculos.Las rocas metamrficas resultan elsticas por la cristalizacin de la masa. Son densas por el empaquetamiento. Si hay minerales laminados hay debilidad. Si hay esquistosidad hay zonas de debilidad. Los gneises son como los granitos aunque el bandeamiento les da debilidad
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCAS
GNEIS
SERPENTINITA
FILLITA PLEGADA
Las rocas pueden ser duras o blandas y las fallas de los macizos se pueden presentar por zonas de debilidad o de discontinuidad estructural. Las rocas blandas fallan a travs del cuerpo de la masa rocosa y tambin a travs de sus defectos estructurales.
Porosidad: Indicala proporcin entre la parte vaca de la roca (poros) y la parte slida. Las porosidades normalmente fluctan entre 0 y 40%.
Densidad: Corresponde al peso por unidad de volumen Puede relacionarse con la mineraloga y constitucin de los granos que forman la roca.
Densidad: Las gravedades especficas de minerales comunes fluctan entre 2.0 (halita) y 7.0 (galena). Las rocas comunes tienen gravedades especficas entre 2.0 y 3.0 en la mayora de los casos.
Permeabilidad: Mide de cierta forma la conexin existente entre poros, de modo que un fluido pueda movilizarse a travs de la roca. La permeabilidad k, se rige por la Ley de Darcy
Permeabilidad: k se mide en Darcy: 1 darcy = 9.86 x 10-9 cm2 Permeabilidad de la roca intacta suele ser muy distinta de la permeabilidad del macizo rocoso. Se puede relacionar con la separacin de grietas en el macizo rocoso, por lo que provee un ndice cuantitativo de calidad del macizo rocoso.
Durabilidad: Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse, al exponerse al aire, agua, tiempo, etc. Es un concepto ms aplicable a mecnica de suelos que a mecnica de rocas. Se mide mediante un test: Tambor de 140 mm de dimetro y 100 mm de largo Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura 500 grs de roca en 10 piezas El tambor gira a 20 rpm durante 10 minutos en un bao de agua Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor
Clasificacin ingenieril de las rocas La clasificacin ingenieril de rocas intacta segn Deere: E:Resistencia muy baja D:Resistencia baja C:Resistencoia media B:Resistencia alta A:Resistencia muy alta 1: Roca arcillosa 2:Areniscas 3:Esquistos de foliacin fina 4:Granitos 5:Calizas 6:Cuarcitas 7:Gneises 8:Esquistos de foliacin gruesa
Se considera que un suelo o roca es blando o duro, segn su resistencia a la compresin est en los siguientes rangos: Suelo blando menos de 4 Kg/cm2 Suelo duro entre 4 - 10 Kg/cm2 Roca blanda entre 10 - 200 Kg/cm2 Roca dura ms de 200 Kg/cm2 - Las rocas gneas. Son muy resistentes, isotrpicas, rgidas, frgiles, densas y de textura entrabada. Su inconveniente se da por presencia de materiales alterables y diaclasamiento.
- Las rocas gneas plutnicas. Tienen minerales resistentes, entrabados, se da fallamiento en escalonado de minerales porque son diferentes.- Las rocas gneas volcnicas. Muestran heterogeneidad de minerales; hay falla en poros que afectan la roca, la porosidad le da plasticidad a la masa que si es de rocas masivas resulta poco porosa.
- Las rocas sedimentarias.
Tienen resistencia media a baja son ortotrpicas, poco rgidas, dctiles, porosas y presentan textura cementada-laminada. Su inconveniente es la ortotropa que hace difciles los clculos de estabilidad y comportamiento del macizo. En las rocas sedimentarias la resistencia depende del grado de cementacin y de su densidad. Ella aumenta cuando los granos son finos; si hay disolucin en la masa hay porosidad. Los planos de estratificacin son zonas de debilidad. - Las rocas metamrficas. Se caracterizan por una resistencia medio alta, su ortotropa, tenacidad, textura entrabada y baja porosidad. Hay rigidez en el sentido paralelo y plasticidad en el perpendicular, con relacin a los planos de clivaje. Su ortotropa dificulta los clculos. Las rocas metamrficas resultan elsticas por la cristalizacin de la masa. Son densas por el empaquetamiento. Si hay minerales laminados hay debilidad. Si hay esquistocidad hay zonas de debilidad. Los gneises son como los granitos aunque el bandeamiento les da debilidad.