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FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA GEOMECÁNICA

GEOMECANICA MECANICA DE ROCAS

GEOTECNIA

• RECONOCIMIENTO COMO CIENCIA: DECADA DE LOS 50

• DEFINICIÓN: CIENCIA TEORICA Y APLICADA QUE TRATA SOBRE EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA ROCA Y SU RESPUESTA A LOS ESFUERZOS APLICADOS EN SU ENTORNO FISICO.

(Comité de Mecánica de Rocas de la Académia de Ciencias de los Estados Unidos, 1964)

1er CONCEPTO DE FONDO

TODA ESTRUCTURA DE INGENIERÍA DESARROLLADA EN ROCAS, REQUIERE PARA SU ADECUADO DISEÑO Y EJECUCIÓN DE LA UTILIZACIÓN Y APLICACIÓN DIRECTA DE LOS PRINCIPIOS, METODOLOGÍAS Y APLICACIONES DIVERSAS DE LA MECÁNICA DE ROCAS , DESDE LA FASE DE INVESTIGACIÓN PRELIMINAR, ANÁLISIS, DISEÑO, EJECUCIÓN Y OPERACIÓN DE LA OBRA.

2do CONCEPTO DE FONDO

CUALQUIER EXCAVACIÓN PRACTICADA EN UN MEDIO ROCOSO, PRODUCE UN DESEQUILIBRIO EN EL MISMO; AL EXTRAER LOS MATERIALES, SE PRODUCE INEVITABLEMENTE LA ELIMINACIÓN DEL SOPORTE NATURAL DE LA MASA ROCOSA CIRCUNDANTE, DANDO LUGAR A LA ALTERACIÓN DE LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO, LOS EFECTOS PRODUCIDOS SE DEBEN CONOCER CON EL FIN DE RESTITUIR EL EQUILIBRIO Y ASEGURAR LA ESTABILIDAD.

ROCA :

• MATERIAL ROCOSO DE VOLUMEN MENOR

• SIN FRACTURAS

MACIZO ROCOSO:

• MATERIAL ROCOSO DE MAYOR VOLUMEN

• CON FRACTURAS, FALLAS, PLIEGUES, AGUA

Rock mass

PROPIEDADES FÍSICO-MECANICAS

•RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ( Rc )

Rc = P / A , A = pD²/4UNIDADES DE MEDIDA

• ( Kg/cm² )• ( Ton/m² )• ( PSI )• ( lb/pulg²)• ( bar )• ( Atm )• ( Mpa )

P(+)

P(+)

A


•RESISTENCIA A LA TRACCIÓN ( Rt )

Rc = P / A , A = pD²/4UNIDADES DE MEDIDA

• ( Kg/cm² )• ( Ton/m² )• ( PSI )• ( lb/pulg²)• ( bar )• ( Atm )• ( Mpa)

P(-)

P(-)

A


• MODULO DE YOUNG (E) : Tendencia de deformación en dirección axial del esfuerzo solicitante.

UNIDAD DE MEDIDA : ( Kg/cm² )(Mpa)

• MODULO DE POISSON (n) :Razón de deformación ; deformación radial entre la deformación axial

UNIDAD DE MEDIDA : adimensional

E

v


COHESIÓN ( C ) : Resistencia cohesiva o resistencia a la cizalla

UNIDAD DE MEDIDA

( Kg/cm² )

(Mpa)

ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA ( φ ) : Angulo de rozamiento interno

UNIDAD DE MEDIDA

( ° )

φ

C

LAS PROBETAS (NUCLEOS O TESTIGOS)

DESTINADAS A ENSAYOS GEOMECÁNICOS

DEBEN TENER UNA RAZÓN LARGO A

DIÁMETRO IGUAL A 2, CON SUS DOS CARAS

BASALES PARALELAS Y PULIDAS, PARA

PERMITIR UNA DISTRIBUCIÓN UNIFORME DE

LA CARGA APLICADA.

(L / D) ≥ 2

ENSAYOS DE LABORATORIO

D

L

TESTIGOS O NUCLEOS DE ROCA



PROBETAS DE ROCA LISTAS PARA ENSAYO


• ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE

EL ENSAYO CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA COMPRESIVA CONTINUA Y PAULATINAMENTE EN AUMENTO SOBRE LA PROBETA, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA.

Rc = P / A , A = pD²/4SI LA RAZON L / D ES INFERIOR A 2 SE APLICA LA SIGUIENTE ECUACIÓN DE AJUSTE :

Rc = Rc / [0.88 + (0.24 * D/L)]


P(-)

P(-)

• ENSAYO DE TRACCION

LA PROBETA ES ADHERIDA EN AMBOS EXTREMOS A BASES METÁLICAS MEDIANTE RESINA EXPOSICA.

EL ENSAYO CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA DE TRACCIÓN CONTINUA Y PAULATINAMENTE EN AUMENTO SOBRE LA PROBETA, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA.

Rt = P / A , A = pD²/4

ENSAYOS DE LABORATORIO• ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA

(ENSAYO BRASILERO)

CONSISTE EN APLICAR UNA CARGA DE COMPRESIÓN A UNA MUESTRA CON FORMA DE DISCO, DE DIÁMETRO MAYOR O IGUAL A 54 mm. Y ESPESOR IGUAL A UN RADIO, HASTA PRODUCIR SU RUPTURA POR ESFUERZOS DE TRACCIÓN PERPENDICULARES A LA DIRECCIÓN DE LA CARGA VERTICAL APLICADA.

Rt = 0.636 P / (D*T)

DONDE:Rt : RESISTENCIA A LA TRACCIÓN INDIRECTA (Kg/cm2)P : CARGA DE RUPTURA (Kg)D : DIÁMETRO DEL DISCO DE ROCA (cm.)T : ESPESOR DEL DISCO DE ROCA (cm.)

PROBETA DE ROCA SOMETIDA A ENSAYO TRACCIÓN (BRASILEÑO)


• ENSAYO DE PROPIEDADES ELÁSTICAS

(MÓDULO DE YOUNG Y MÓDULO DE POISSON)

SE UTILIZAN ESTAMPILLAS ELÉCTRICAS STRAIN GAGE COMO SENSORES DE LA DEFORMACIÓN AXIAL Y DIAMETRAL EXPERIMENTADA POR LA PROBETA BAJO COMPRESIÓN.

DURANTE EL ENSAYO SE REGISTRA LA CARGA DE COMPRESIÓN, LA DEFORMACIÓN AXIAL Y DIAMETRAL EXPERIMENTADA POR LA PROBETA AL SER COMPRIMIDA, MEDIANTE INCREMENTOS DE CARGA PREDETERMINADOS.


PROBETA DE ROCA SOMETIDA A ENSAYO PARA DETERMINACIÓN DE MÓDULOS DE DEFORMACIÓN YOUNG Y POISSON,

UTILIZANDO STRAIN-GAGE


CURVAS TIPICAS

ESFUERZO vs DEFORMACION

PARA ENSAYOS DE MODULO ELASTICO

CURVA

ESFUERZO - DEFORMACIÓN


CURVADEFORMACIÓN HORIZONTAL

VSDEFORMACIÓN VERTICAL



TESTIGOS DE GRAN DIMENSION PARA ENSAYOS A GRAN ESCALA

TIPOS DE ENSAYO:

1. DIAMETRAL

2. AXIAL

3. Irregular (Cúbica)

4. Irregular (Bloque)

5. Irregular (Esferoidal)

DETERMINA LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN IN-SITU EN TESTIGOS Y/O MUESTRAS IRREGULARES

Ensayo de CARGA PUNTUAL (POINT LOAD)

PRINCIPIO DE CAUSA Y EFECTO

ACCION Y REACCIONMEDIO : MACIZO ROCOSO

CAUSA : ESFUERZO (NORMAL, CORTE)

(s , τ )EFECTO: DEFORMACION

(AXIAL, DE CORTE)

(ε , γ )

RELACIONES ESFUERZO - DEFORMACIONSI SUPONEMOS UN PARALELEPIPEDO RECTANGULAR CON SUS LADOS ORIENTADOS SEGÚN LOS EJES COORDENADOS, SOBRE EL CUAL ACTUA UN ESFUERZO NORMAL

EL EFECTO OBSERVADO ES UN ACORTAMIENTO EN LA DIRECCION DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA (Z) Y A LA VEZ UNA EXPANSION EN LAS DIRECCIONES PERPENDICULARES A ELLA (X e Y)

EN MATERIALES ELASTICOS ESTAS RELACIONES ESTAN DETERMINADAS A TRAVES DE DOS COEFICIENTES YOUNG (E) y POISSON ( v )

εZ = σZ / E

εY = - v σZ / E

εX = - v σZ / E

SI EL PARALELEPIPEDO ESTUVIERA SOMETIDO A ESFUERZOS NORMALES EN LAS TRES

DIRECCIONES σx , σy ,σz LAS DEFORMACIONES RESULTANTES PUEDEN OBTENERSE APLICANDO EL PRINCIPIO DE SUPERPOSICION:

ε X = 1 / E ( σ X - v (σ Y + σ Z ) )

ε Y = 1 / E ( σ Y - v (σ X + σ Z ) )

ε Z = 1 / E ( σ Z - v (σ X + σ Y ) )

PARA EL CASO DE LAS DEFORMACIONES DE CORTE SE ACOSTUMBRA A RELACIONARLAS CON LOS ESFUERZOS DE CORTE RESPECTIVOS MEDIANTE UNA SOLA CONSTANTE DENOMINADA MODULO DE RIGIDEZ (G) G = E / ( 2 ( 1 + v ) )

DE ESTA FORMA LAS DEFORMACIONES DE CORTE QUEDAN DEFINIDAS DE LA SIGUIENTE FORMA:

γ xy = τ xy / G

γ yz = τ yz / G

γ zx = τ zx / G

ESFUERZO VERTICAL vs PROFUNDIDAD

RAZON DE ESFUERZOS HORIZONTAL / VERTICAL SEGÚN LA PROFUNDIDAD

CURVA DE ESFUERZOS TECTONICOS EN LOS ANDES

CONDICION ESTRUCTURAL

• CONTACTOS

• FRACTURAS

• FALLAS

1 SISTEMA DE ESTRUCTURAS

2 SISTEMAS DE ESTRUCTURAS

3 SISTEMAS DE ESTRUCTURAS

BLOQUE TIPICO EN INFRAESTRUCTURA MINERA

MAPEO ESTRUCTURAL DE CAMPO

DETERMINACION DE RUMBO E

INCLINACION DE FRACTURAS

ANALISIS DE ESTRUCTURAS EN

BASE A PROYECCIONES

ESTEREOGRAFICAS

PLANO ECUATORIAL VISTO DESDE

ABAJO

PROYECCION DE UNA ESTRUCTURAORIENTACION: N 30° E / 40 SE

REPRESENTACION DE POLOS SOFTWARE DIPS

DISTRIBUCION DE LAS TENDENCIAS PRINCIPALES

DIRECCION Y BUZAMIENTO DE LAS FAMILIAS PRINCIPALES

DIRECCION DE LAS FAMILIAS PRINCIPALES MEDIANTE UNA ROSETA ESTRUCTURAL

CLASIFICACIONES GEOMECANICAS

SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE CALIDAD DE ROCA

GSI

CLASIFICACIÓN R.Q.D.

EL GEÓLOGO NORTEAMERICANO D. DEERE,QUE DESARROLLABA SU TRABAJO PROFESIONAL EN EL ÁMBITO DE LA MECÁNICA DE ROCAS, POSTULA QUE LA CALIDAD ESTRUCTURAL DE UN MACIZO ROCOSO PUEDE SER ESTIMADA A PARTIR DE LA INFORMACIÓN DADA POR LA RECUPERACIÓN DE TROZOS INTACTOS DE SONDAJES DIAMANTINOS. SOBRE ESTA BASE PROPONE EL ÍNDICE CUANTITATIVO RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION) EL CUAL DEFINE COMO EL PORCENTAJE DE TESTIGO RECUPERADO EN PIEZAS SANAS Y CON UNA LONGITUD MAYOR O IGUAL A 100 mm, EN RELACIÓN A UNA LONGITUD BASE DE 3 METROS.

Σ Longitud total en trozos > 100 mm

R.Q.D.(%) = ----------------------------------------------------- x 100

Longitud (3m)

BASANDOSE EN RANGOS DE VALORES DE RQD, EL MEDIO ROCOSO ES CARACTERIZADO SEGÚN SU CALIDAD DE ACUERDO AL SIGUIENTE CUADRO:

RQD (%) CALIDAD DE ROCA

100 - 90 MUY BUENA

90 - 75 BUENA

75 - 50 MEDIANA

50 - 25 MALA

25 - 0 MUY MALA

LA APLICACIÓN DE ESTE CONCEPTO DE DESIGNACIÓN DE CALIDAD DE ROCA, DADA SU SIMPLEZA, FUE AMPLIAMENTE ACEPTADA Y DE GRAN DIVULGACIÓN HASTA HOY.

EVIDENTEMENTE LA SIMPLICIDAD DEL MÉTODO INVOLUCRA UNA SERIE DE LIMITACIONES PUESTO QUE NO CONSIDERA FACTORES IMPORTANTES COMO LA ORIENTACIÓN DEL SONDAJE EN RELACIÓN A LOS PLANOS DE DEBILIDAD, PRESENCIA DE AGUA, RELLENO DE FRACTURAS, ETC., LOS CUALES TIENEN INFLUENCIA EN LA CORRECTA CLASIFICACIÓN DEL TERRENO.

SE DEBE HACER PRESENTE QUE ES RECOMENDABLE DETERMINAR EL RQD EN BASE A TESTIGOS DE DIAMETRO IGUAL O MAYOR A 50 mm.

AL NO DISPONER DE SONDAJES DIAMANTINOS, EL RQD PUEDE CALCULARSE, DEFINIENDO UN RQD SUPERFICIAL SEGÚN LA SIGUIENTE EXPRESIÓN:

RQD (%) = 115 - 3.3 x Jv

DONDE:

Jv = N° DE JUNTAS POR METRO CUBICO

Jv = Jx + Jy + Jz

PARA Jv < 5 ==> RQD = 100

CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKY (RMR)LAS PARÁMETROS CONSIDERADOE POR ESTA CLASIFICACIÓN SON:

• RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN : RESISTENCIA DE UN TESTIGO DE ROCA SANA (SIN PLANOS DE DEBILIDAD) EN UN ENSAYO DE COMPRESIÓN UNIAXIAL.

• JUNTAS por METRO (J/m) : INCORPORA EL CONCEPTO DESARROLLADO POR DEERE (RQD) Y SEPARACIÓN ENTRE FRACTURAS, EN ESTE CONTEXTO SE DEFINE COMO FRACTURA A TODO TIPO DE DISCONTINUIDAD.

• PERSISTENCIA DE FRACTURA : PERMANENCIA DE LA CONTINUIDAD A TRAVES DEL MEDIO ROCOSO.

• ABERTURA DE FRACTURA : DISTANCIA ENTRE LAS PAREDES DE UNA FRACTURA (ESPESOR DE LA DISCONTINUIDAD).

• RUGOSIDAD : DEFINIDO COMO LA TEXTURA DE LOS PLANOS DE LAS DISCONTINUIDADES

• RELLENO DE FRACTURAS : CONSIDERA EL ESPESOR Y DUREZA DEL MATERIAL DE SALVANDA.

• METEORIZACIÓN : CAMBIOS EN LA CALIDAD DE LA ROCA POR PROCESOS NATURALES, QUÍMICOS Y/O MECÁNICOS, LOS CUALES DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL MACIZO ROCOSO.

• EFECTO DEL AGUA : FLUJO DE AGUA MEDIDO CUALITATIVAMENTE SOBRE UN TRAMO DE TUNEL

• ORIENTACIÓN DE FRACTURAS : POSICIÓN GEOMÉTRICA DE LAS DISCONTINUIDADES EN RELACIÓN AL AVANCE DEL TUNEL.

LA METODOLOGÍA DE CLASIFICACIÓN CONSISTE EN:

1 - SELECCIONAR PARA CADA PARAMETRO EL VALOR (RATING)

2 - LA SUMA DE TOTAL DE ESTOS VALORES (RATING) CLASIFICARÁ A LA ROCA EN EL CORRESPONDIENTE RANGO DE CALIDAD

0 -2 -5 -10 -12 -5 -5

PLANTILLA DE CLASIFICACIÓN RMR

RATING 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20CLASE I II III IV VTIPO DE ROCA MUY BUENA BUENA REGULAR MALA MUY MALA

COHESION (Kpa) > 300 200 - 300 150 - 200 100 - 150 < 100

ANGULO DEFRICCIÓN > 45° 40 - 45 35 - 40 30 - 35 < 30INTERNA (°)

CLASES DE MACIZOS ROCOSOS EN FUNCIÓN DEL RATING TOTAL

INDICE RMR

CLASIFICACIÓN DEL NGI (Q)

UN SISTEMA ESTRUCTURAL DE MACIZOS ROCOSOS ORIENTADO TAMBIEN A SERVIR EN LA CONSTRUCCIÓN DE TUNELES, FUE DESARROLLADO POR BARTON, LIEN Y LUNDEN, INVESTIGADORES DEL NGI (NORWEGIAN GEOTECHNICAL INSTITUTE), BASANDOSE EN EXTENSIVOS ESTUDIOS EN TERRENO Y UN GRAN NÚMERO DE CASOS DE ESTABILIDAD DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

EL SISTEMA PROPUESTO, CONSIDERA SEIS PARÁMETROS PARA DEFINIR LA CALIDAD DE UN MEDIO ROCOSO, TALES COMO:

• RQD : PARÁMETRO DEFINIDO POR DEERE

• Jn : INDICE DE NÚMERO DE FAMILIAS DE FRACTURAS

• Jr : INDICE DE RUGOSIDAD

• Ja : INDICE DE ALTERACIÓN DE LAS PAREDES DE LAS FRACURAS

• Jw : INDICE DE FLUJO DE AGUA

•SRF : INDICE DEL ESTADO DE TENSIÓN DEL MACIZO ROCOSO (STRESS REDUCTION FACTOR)

PLANTILLA

PARA

CLASIFICACIÓN

DEL

NGI ( Q )

• EL PARÁMETRO Jn REPRESENTA EL NUMERO DE CONJUNTOS DE FRACTURAS, A MENUDO ESTE INDICE SE VE AFECTADO POR FOLIACIÓN, ESQUISTOCIDADES, ESTRATIFICACIÓNES, ETC. ANTE ESTOS FENÓMENOS DEBE EFECTUARSE UN ANÁLISIS ORIENTADO A DEFINIR SI ES LÍCITO CONSIDERARLOS COMO UN CONJUNTO O BIEN COMO FRACTURAS ERRÁTICAS, DEPENDIENDO DE LA CANTIDAD QUE SE DETECTEN

• LOS PARÁMETROS J r Y Ja QUE REPRESENTAN LA RESISTENCIA AL CIZALLE , DEBERÁN SER RELEVANTES PARA EL CONJUNTO DE FRACTURAS MÁS DÉBILES O PARA DISCONTINUIDADES RELLENAS CON ARCILLAS.

LA CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO QUE SE DESIGNÓ POR LA LETRA Q, SE OBTIENE A PARTIR DEL PRODUCTO DE LOS TRES CUOCIENTES SIGUIENTES:

• RQD / Jn : REPRESENTA LA ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO; ES UNA MEDIDA APROXIMADA DEL TAMAÑO DE LOS BLOQUES.

• Jr / Ja : REPRESENTA LAS CARÁCTERÍSTICAS DE FRICCIÓN DE LAS PAREDES DE UNA FRACTURA O DEL MATERIAL DE RELLENO DONDE MÁS PROBABLEMENTE SE PUEDE INICIAR EL FALLAMIENTO.

• Jw / SRF : ES UN FACTOR EMPÍRICO QUE RELACIONA LOS ESFUERZOS ACTIVOS DEL MEDIO ROCOSO.

EL INDICE SRF ES UNA MEDIDA DE: 1° EL PESO MUERTO CUANDO LA LABOR PASA A TRAVES DE ZONAS DE FALLA Y ESTRUCTURAS CON ARCILLA, 2° ESFUERZOS EN ROCAS COMPETENTES Y 3° CARGAS CONVERGENTES EN ROCAS CON COMPORTAMIENTO PLÁSTICO.

EL INDICE Jw ES UNA MEDIDA DE LA PRESIÓN DE AGUA

Q = (RQD / Jn) x (Jr / Ja) x (Jw/ SRF)

EL VALOR DE Q PUEDE VARIAR APROXIMADAMENTE ENTRE 0,0001 Y 1000, DENTRO DE ESTE RANGO SE DEFINEN NUEVE CALIDADES DE ROCA, TAL COMO SE MUESTRA EN LA TABLA SIGUIENTE:

CALIDAD DE ROCA VALOR DEL INDICE Q

EXCEPCIONALMENTE MALA 0.0001 - 0.01EXTREMADAMENTE MALA 0.01 - 0.1MUY MALA 0.1 - 1.0MALA 1.0 - 4.0REGULAR 4.0 - 10.0BUENA 10.0 - 40.0MUY BUENA 40.0 - 100.0EXTREMADAMENTE BUENA 100.0 - 400.0EXCEPCIONALMENTE BUENA 400.0 - 1000.0

• RESISTENCIA

• CANTIDAD DE ESTRUCTURAS

• CONDICION DE ESTRUCTURAS

• ALTERACION

• NIVEL DE AGUAS

• ESFUERZOS

PRIORIDADES PARA UNA ZONIFICACION GEOMECANICA

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