Capitulo i.temas Macros de Las Rocas (1)

8/18/2019 Capitulo i.temas Macros de Las Rocas (1)

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MECÁNICA DE ROCAS I

ING . PERCY HAROLD GUERRERO DÍAZ

CAP I . CONOCIMIENTO DE LOSTEMAS MACROS EN LA MECÁNICADE ROCAS


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HISTORIA

La roca ha sido usada como material deconstrucción desde inicios de lacivilización.

Se conoce que hace 4000 A.C. la Ingenieríade Rocas se aplicaba en el laboreo manual,con herramientas rudimentarias,

excavándose rocas calizas y rocas blandaspara ser utilizadas como habitat o refugiode los antiguos pobladores.


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Desde 1850 se comenzó a utilizartécnicas de perforación y voladurapara la excavación de tuneles en

EEUU.

El mayor desarrollo de la tecnología

en excavación se dio en la mitad delsiglo XIX, con la construcción detúneles carreteros en Europa.


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INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS

El estudio de la Mecánica de Rocas, esesencialmente el estudio de la acción de lasfuerzas actuando sobre los macizos rocosos.

Algunas condiciones importantes, son asociadascon las rocas sometidas a esfuerzos, las cualespropician la formación del fenómeno defracturamiento causada por los esfuerzos,deformación y la formación de la energíaresultante.


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MECANICA DE ROCAS

Comportamiento mecánico de la roca y delos macizos rocosos; respuesta al campo defuerzas de su entorno físico”

DEFINICION

Ref.: U.S. National Comitte on Rock Mechanics - 1974


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El estudio de la mecánica de rocas principalmentetrata del análisis de las cargas o las fuerzas

aplicadas a los macizos rocosos y los efectosinternos de estos; los cuales pueden ocasionar:deformaciones, Fracturas y roturas o eldeslizamiento.


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LOS PRINCIPALES EFECTOS DE INTERÉSPARA EL GEÓLOGO Y GEOFÍSICO SON:

• Los cambios de las formas que pueden ocurrir.

• dichos cambios de interés son los aspectos dinámicosde las variaciones en volumen y forma.

Por ejemplo: Las ondas sísmicas y sus efectos.


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PARA EL INGENIERO DE MINAS Y GEOTÉCNICO

Su preocupación principal esta en la fenomenología que influencia lapredicción de las fracturas y los deslizamientos con algunos cambiosen el volumen y las formas de las rocas. Entonces, el estudio de lamecánica de rocas abarca:

• El análisis de las cargas o las fuerzas que están siendo aplicadas alas rocas.

• El análisis de los efectos internos en términos de los esfuerzos,deformaciones y la energía almacenada.

Finalmente el análisis de las consecuencias de estos efectos internoscomo discontinuidades, diaclasas, fracturas, fallamiento,deslizamientos o simplemente las deformaciones de las rocas.


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MECANICA DE ROCAS

INTEGRACION CON OTRAS AREAS:

Respuesta mecánica de todos los materiales geológicos, alcampo de fuerzas de su entorno físico, como:

GeologíaGeología estructuralHidrogeologíaGeofísicaMecánica de suelos

TODO ESTO EN CONJUNTO SE DENOMINA:

GEOMECANICA


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EL MACIZO ROCOSO


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Según Palmstrom (1995), define que

el macizo rocoso se distingue de losmateriales usados en otras ingenieríaspor presentar discontinuidades


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QUE SERÁN LAS DISCONTINUIDADES?

fracturas, diaclasas, planos de estratificación, fallas, etc, las cuales controlan elcomportamiento ingenieril.


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Según Pusch (1995), la Ingenieríade Rocas es una de lasespecializaciones que mas trata

con indeterminaciones eincertidumbres, quizás debido a lanaturaleza de las condicionesgeológicas y de los parámetrosgeotécnicos


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Por lo expuesto anteriormente, para

realizar diseños en rocas, la CALIDAD yVERACIDAD de los datos geológicos juegan un papel fundamental en los

cálculos y estimaciones.

Como material Ingenieril, un macizo

rocoso debe ser IDENTIFICADO,DESCRITO, CARACTERIZADO yCLASIFICADO.


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CAMPO DE APLICACION

Las aplicaciones de la mecánica de rocas a nivel mundial son :

Diseño de túneles, piques, frontones, cruceros, casas de fuerzapara operaciones subterráneas.

Diseño de taludes para minería a tajo abierto, canteras, presas,

etc.Estudio de los procesos de conminución.Diseño para trabajos mineros subterráneos, tales como:

métodos de explotación, Tajeos, cámaras, pilares, etc.

Sostenimiento para galerías principales, tajeos y otros sistemasde sostenimiento.

Diseño para operaciones por hundimiento, por ejemplo paraconseguir el hundimiento inicial, un eficiente acarreo y evitarlos efectos perjudiciales de la subsidencia.


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• Diseño para instalaciones de defensa subterráneas,para soportar las ondas de choque producidas por losdisparos primarios. así por ejemplo, los efectos de losesfuerzos y el movimiento de la deformación dinámica.

• Diseño de cimentaciones para diques, presas, canales.

• Diseño de cimentaciones de obras estructurales.

• Evaluación de los daños producidos por estallamiento

de rocas.• Diseño optimo de las mallas de perforación y voladura yel tipo y la cantidad de las mezclas explosivascomerciales a ser usadas.


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CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES YDETERMINABLES DE LAS ROCAS PARA

OPERACIONES MINERAS Y/O

CONSTRUCCIÓN

Resis tenc ia compres iva un iax ial de la

roca

Esta propiedad indica, si la roca essuficientemente resistente o débil con

respecto a la aplicación de una carga. Sesabe que hay correlación entre el modulo dedeformación de la roca, su esquistosidad y

la resistencia compresiva.


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CARACTERÍSTICAS DE DEFORMACIÓN

ANTES DEL FALLAMIENTO DE LA ROCA

Esta propiedad indicará si el deslizamientonatural del material podría estar en el rangoesperado y en los niveles de esfuerzosmenores que los que son requeridos paracausar la falla. En casos extremos estos

podrían también, indicar la posibilidad delesponjamiento del macizo rocoso.


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SISTEMA DE ESTRUCTURAS


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BLOQUE TIPICO EN INFRAESTRUCTURAMINERA


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CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR

SU ORIGEN O GÉNESISLa clasificación geológica de las rocas, de acuerdo a suorigen ha sido el método mas común de describir a

cualquier tipo de roca.Es importante examinar este método de clasificacióndesde un punto de vista funcional con respecto a laciencia de la mecánica de rocas.

Este sistema de clasificación es el siguiente:


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FORMACIÓN DE LAS ROCAS.

Las Rocas se forman

Por enfriamientodel magma.

Por precipitación de salesinorgánicas contenidas enlas aguas

Por deposición de restosanimales y vegetales


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Por desintegracióntransporte ydeposición.

Por recristalización parcial ototal de los minerales de unaroca debida a elevadastemperaturas y fuertespresiones

Por la condensación degases que contienenpartículas minerales

FORMACIÓN DE LAS ROCAS.

Las Rocas se forman


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CICLO DE LAS ROCAS.


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Óxidos.Corindón, Hematites, Ilmenita, Limonita, Magnetita.

Silicatos.Feldespatos, Piroxenos, Olivinos , Cuarzo, Micas,Hornablenda , Serpentina , Zeolita.

Carbonatos.Calcita, Dolomita

Sulfatos.Yeso,Anhidrita

COMPOSICIÓN MINERALÓGICA DELAS ROCAS.

Están constituidas por la agrupación de granos de unoo distintos minerales en proporciones variables.


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CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR SU ORIGEN O GÉNESIS.

IGNEAS ROCAS METAMÓRFICAS ROCAS SEDIMENTARIAS

R. Plutónicas,intrusivas o abisales.

R. Filonianas.

R. Efusivas, extrusivas,

volcánicas.

gabro traquita

arenisca


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ROCAS ÍGNEAS :

Rocas Ígneas : ácidas, intermedias y básicas

Intrusivas : Cristalizadas lentamente a altastemperaturas.

Hipabisales : Cristalizadas a profundidades

intermedias.Extrusivas : Cristalizadas en superficie bajocondiciones de presión atmosférica.


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LA TEXTURA DE LAS ROCAS

LA TEXTURA DE LAS ROCAS ÍGNEAS.

Grado de cristalinidad

Holocristalina Holohialina Merocristalina

Tamaño de los cristales

Fanerítica Afanítica

Es el tamaño, forma y disposición de los minerales componentes en

las rocas.


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Distribución de tamaños de los cristales

Equigranular Inequigranular Porfirítica

Grado de cristalinidad

Bajo Medio

TEXTURAS DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS

Alto

TEXTURA DE LAS ROCAS ÍGNEAS


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Forma y distribución de tamaños de los cristales

Lepidoblástica Nematoblástica porfidoblástica

Microestructuras

Pizarrosidad

TEXTURAS DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS

Esquistosidad

Granoblástica

TEXTURA DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS


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Textura clástica

Textura no clástica

Amorfa Oolítica

TEXTURAS DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

Pisolítica

TEXTURA DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

Esferulítica Sacaroide Porfiroblástica


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PROPIEDADES DE LAS ROCAS

Las propiedades de las rocas se clasifican generalmente

como físicas y mecánicas.

PROPIEDADES FÍSICAS

Isotropía. no varía sus propiedades físicas con el cambiodirección en la que se mida la propiedad. En este caso, se diceque la propiedad es escalar.

Anisotropía. varía sus propiedades físicas con el cambiodirección en la que se mida la propiedad. En este caso, se diceque la propiedad es vectorial.


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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS

Densidad. La densidad es la relación entre la masa y el volumen dela sustancia, midiéndose en unidades de masa/unidades de volumen(kg/m3).

ρ = M/V

Donde: ρ: es la densidad (kg/m3), M: es la masa (kg) de la sustancia yV: es el volumen (m3) de la parte impermeable de la sustancia.

Densidad (kg/m3

) de algunas rocas (de Komar, 1987).Roca Densidad (kg/m3)

Granito 2700-2800

Arena cuarzosa 2600-2700

Caliza 2400-2600


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Porosidad.

Teniendo en cuenta que la relación entre masa, volumen ydensidad.P = ( 1 – ρ0/ρ) * 100Donde: P: es la porosidad total (%)

ρo: es la densidad global del material (kg/m3) y

ρ: es la densidad real de la sustancia (kg/m3

).

Porosidad (%) de rocas (de Winkler, 1973 y Komar, 1987).

Roca Porosidad (%)

Caliza 5.0-20.0

Arenisca 5.0-25.0

Basalto 0.1-1.0


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Porosidad: Se define comovolumen de huecos relativo al volumentotal. Las porosidades normalmente fluctúanentre 0 y 40%.

Índice de poros. Se define como volumende huecos relativo al volumen de sólido


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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 delmacizo rocoso.

Se puede relacionar con la separación degrietas en el macizo rocoso, por lo que

provee un índice cuantitativo de calidaddel macizo rocoso.


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Durabilidad:

Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse, al exponerse alaire, agua, tiempo, etc.

Es un concepto más aplicable a mecánica de suelos que a mecánica de rocas.

Se mide mediante un test:

Tambor de 140 mm de diámetro 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 baño de

agua Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor


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Absorción de Agua. Es la incorporación oasimilación de líquidos en el interior del sistemaporoso de la roca.

Ecuación para calcular la cantidad de aguaabsorbida:

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 eltiempo t (s) y Mo (kg): es el peso seco de la muestra.


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Una muestra de suelo saturado, que tiene un peso de 900 gr, se coloca en estufa a 100ºC durante 24 horas, tras lo cual pesa 750 gr. Obtener su humedad natural, su índice de

poros, su porosidad, su densidad natural y su densidad seca

Ejemplo

• Humedad Se define como : Wt = [(Mt – M0) / M0] * 100


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t [( t 0) 0]

• Mt – M0 =900 - 750 = 150 gr

• Índice de poros. Se define como volumen de huecos relativo al volumen de sólido


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Se dispone de un suelo seco que ocupa un molde de 60 mm de diámetro y 150 mm dealtura. El peso del suelo es de 950 gr. Con el fin de comprobar la distribución de losporos, éstos se llenan completamente con mercurio. ¿Cuánto pesará el suelo en estascondiciones?. Datos:

Ejerció N

2:


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PROPIEDADES MÉCANICAS DE LAS ROCAS

Es capacidad de la roca para resistir accionesexternas o internas que implican la aplicación defuerzas sobre el mismo. estas fuerzas son decompresión y tensión.

Resistencia a laCompresiónEs la carga (o peso) por unidad de área a la que elmaterial falla (se rompe) por

fracturación por cizalla oextensional debido a unesfuerzo aplicado.


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Resistencia a la Compresión

El esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por sección osuperficie:σ = F / S

Donde: F : es la fuerza aplicada longitudinalmente, S esla sección y σ es el esfuerzo lineal expresado en Pa

(N/m2).La deformación lineal es igual al cambio de longitudexperimentado por la longitud original:

ε = (lf – l0) / l0 = Δl / l0

Donde: l0 (m): es la longitud originallf (m): es la longitud final

Δl (m): es el incremento de longitud.


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Resistencia a la CompresiónLa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en eltramo de la ley de Hooke permite definir el módulo de Young o

módulo de elasticidad (E).

E = σ / ε

Resistencia a la compresión de algunas rocas (modificado de

Winkler, 1973).

Roca (Mpa)

Granito 97 - 310

Sienita 186 - 434

Gabro 124 - 303

Caliza 14 - 255

Arenisca 34 - 248

Pizarra 138 - 207



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Resistencia a la TensiónEs el esfuerzo tensional por unidad de área a la que el material

falla (se rompe) por fracturación extensional.

Resistencia a la tensión (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian yHo, 1981).

rocas resistencia a la

tensión (Mpa)

Basalto 8.6

Conglomerado 29.7

Calizas 4.2 - 5.8Arenisca 1.1 -1.7

Arenisca calcárea 4.3

Esquistos 3.1

É


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Fatiga

Cuando los materiales sufren esfuerzos de formacíclica sin llegar al punto de ruptura, se observa undebilitamiento mecánico de los mismos con eltiempo. Esto implica una pérdida de sus propiedades

mecánicas, que puede dar lugar a la fracturación.

DurezaEs la resistencia de la roca para resistir la

penetración de otro cuerpo, la dureza se haconsiderado clásicamente como la resistencia quepresenta un mineral a ser rayado por otro mineral omaterial se utiliza la escala de F. Mohs.

IMPORTANCIA DE LAS ROCAS EN MECÁNICA DE


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IMPORTANCIA DE LAS ROCAS, EN MECÁNICA DEROCAS

Es fundamental ya que es

la ciencia que estudia elcomportamiento mecánico

de las rocas y de los

macizos rocosos ante los

campos de fuerza(esfuerzos).

Túnel

IMPORTANCIA DE LAS ROCAS EN LA


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El conocimiento del comportamiento

de las rocas ante diferentes tipos ymagnitudes de esfuerzos, es de vital

importancia en la reconstrucción de

los fenómenos tectónicos que han

sucedido en el pasado de nuestro planeta, pero también es de vital

importancia para la determinación de

la resistencia de los terrenos ante

edificaciones y otros tipos de obras

públicas.

IMPORTANCIA DE LAS ROCAS ,EN LACONSTRUCCIÓN


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Ó


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CLASIFICACIÓN INGENIERIL DE LAS ROCAS

La clasificación ingenieril de rocas intactasegún 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 foliación fina

4:Granitos

5:Calizas

6:Cuarcitas

7:Gneises

8:Esquistos de foliación gruesa

S id l bl d d ú i t i l


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Se considera que un suelo o roca es blando o duro, según su resistencia a lacompresión esté 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 más de 200 Kg/cm2

- Las rocas ígneas. Son muy resistentes, isotrópicas, rígidas, frágiles, densasy de textura entrabada. Su inconveniente se da por presencia de materiales

alterables y diaclasamiento.

- Las rocas ígneas plutónicas. Tienen minerales resistentes, entrabados, seda fallamiento en escalonado de minerales porque son diferentes.

- Las rocas ígneas volcánicas. Muestran heterogeneidad de minerales; hay

falla en poros que afectan la roca, la porosidad le da plasticidad a la masa quesi es de rocas masivas resulta poco porosa.

Las rocas sedimentarias Tienen resistencia media a baja son


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- Las rocas sedimentarias. Tienen resistencia media a baja sonortotrópicas, poco rígidas, dúctiles, porosas y presentan texturacementada-laminada. Su inconveniente es la ortotropía que hace difícileslos cálculos de estabilidad y comportamiento del macizo.

En las rocas sedimentarias la resistencia depende del grado decementación y de su densidad. Ella aumenta cuando los granos son finos;si hay disolución en la masa hay porosidad. Los planos de estratificaciónson zonas de debilidad.

- Las rocas metamórficas. Se caracterizan por una resistencia medioalta, su ortotropía, tenacidad, textura entrabada y baja porosidad. Hay rigidez en el sentido paralelo y plasticidad en el perpendicular, con relacióna los planos de clivaje. Su ortotropía dificulta los cálculos.

Las rocas metamórficas resultan elásticas por la cristalización de lamasa. Son densas por el empaquetamiento. Si hay minerales laminadoshay debilidad. Si hay esquistocidad hay zonas de debilidad. Los gneises soncomo los granitos aunque el bandeamiento les da debilidad.


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TIPOS DE EXCAVACIONESSUBTERRÁNEAS Y

SUPERFICIALES


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GRACIAS

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