MECANICA DE ROCAS

MECANICA DE ROCASYASUANNA KATYUSKA BRITTO LOPEZING. EN MINASESP. EN MINERIA A CIELO ABIERTOyabritto@areandina.edu.coMETODOLOGIA1 CORTE: Corte: Examen escrito (20%) quiz (5%), laboratorios (5%)2 CORTE:Examen escrito (20%) quiz (5%), laboratorios (5%)3 CORTE Examen escrito (20%) presentacin del articulo (15%), quiz (5%)NOTA: LOS PARCIALES SON ACUMULATIVOS

LECTURAS EN INGLES: es el desarrollo de la traduccin de un articulo en ingles referente a algunos de los temas de cada corte visto, del cual entregaran el articulo original, la traduccin y un escrito de 1 cuartilla sobre el mismo. Notas y consideraciones para la presentacin del artculo: para este trabajo se le facilitara al estudiante el levantamiento de la informacin de campo de 150 discontinuidades y se realizara el ensayo de laboratorio de propiedades ndices, resistencia a la compresin simple y carga puntual del material. Este se realizara en grupos mximo de 3 integrantes, esta informacin se les facilitara al inicio del tercer corte, y ser el grupo de 3 estudiantes y no se podr modificar, el grupo que altere el nmero de integrantes su nota ser sobre 3.5. los estudiantes debern, clasificar y caracterizar el macizo rocosos asignado segn las clasificaciones geomecnicas del RMR, Q BARTON Y SMR.Notas y consideraciones para la presentacin del artculo: para este se deber elegir un rea de estudio, en la cual se levantara la informacin de campo de 150 discontinuidades y el ensayo de laboratorio de propiedades ndices y resistencia a la compresin simple del material. Este se realizara en grupos mximo de 3 integrantes, y se deber realizar la presentacin de avances en la fecha programada para el parcial correspondiente a cada corte. La falta o el incumplimiento de cada avance tendr como repercusin un -5 puntos en la nota final de la calificacin del artculo, y el incumplimiento al nmero mximo de estudiantes por grupo tiene como castigo calificacin del artculo sobre la nota de 3.5

CAPITULO 1: INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCASCONTENIDO Que es la mecnica de rocasFinalidadDefiniciones: roca-suelo-macizo rocosoCiclo de las rocasLECTURAS CLAVE: MANUAL DE INGENIERIA GEOLOGICA (ITGE) PAG: 2/1 HASTA 2/37INGENIERIA GEOLOGICA (LOPEZ JIMENO) PAG: 118 HASTA 124QUE ES LA MECANICA DE ROCAS?Es la que estudia el comportamiento mecnico de los materiales rocosos y su respuesta ante la accin de fuerzas aplicadas sobre su entorno fsico.

Es la rama de lamecnicaconcerniente a la respuesta de estosentes litolgicosa loscampos de fuerzasde suambientefsico.Campos de aplicacinMaterial rocoso constituye la estructuraMaterial rocoso como soporte de otras estructurasMaterial rocoso como material de construccinreas bases para el estudio de mecnica de rocasResistencia de materialesGeologa estructuralMecnica de suelosDefinicionesRocaMacizo rocosoMatriz rocosaDiscontinuidadesEstado tensionalDeformacinEstructura geolgicaCaractersticas geolgicasPropiedades fsicasPropiedades ndicesPropiedades mecnicasresistencia

Diferencia entre roca-sueloRoca: agregados naturales duros y compactos de partculas minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que normalmente se considera sistema continuoSuelo: agregado natural de granos minerales unidos por fuerzas de contacto normales y tangenciales a las superficies de las partculas adyacentes, separables por medios mecnicos de poca energa o por agitacin de aguaCICLO DE LAS ROCAS

Macizo rocosoSon masas rocosas las cuales son afectadas naturalmente por una serie de planos de debilidad o discontinuidad que separan los bloques de matriz rocosa.Permitiendo as un comportamiento anisotropico y heterogneo.Factores del comportamiento mecnico de los macizos rocosos Matriz rocosa: litologa Discontinuidades: fracturacin Estructuras geolgicas no discontinuas Tensiones naturales Factores geoambientales: Grado de meteorizacin, susceptibilidad a la meteorizacin Condiciones hidrogeolgicasCAPITULO 2:MODELOS GEOLOGICOS, GEOMECANICOS Y MATEMATICOSCONTENIDOModelo geolgico (pag 113-171)Modelo geomecnico (pag 172-270)Modelo matemtico (270-336)

LECTURAS CLAVESMecnica de rocas aplicada a la minera subterrnea

MODELO GEOLOGICOEl Modelo Geolgico del rea donde se construir cualquier estructura de ingeniera, significa la expresin geolgica real del lugar con todas sus caractersticas litolgicas, estratigrficas, geomorfolgicas, estructurales e hidrogeolgicas.Las descripciones geolgicas deben contener detalles cualitativos y cuantitativos de las roca intacta, discontinuidades y del macizo rocoso. Para las descripciones se utilizarn las clasificaciones litolgicas, sondajes de perforacin y principalmente la informacin de campoMODELO GEOMECANICOUn Modelo Geomecnico tiene como base el Modelo Geolgico y deben estar incluidos las propiedades Fsicas y Mecnicas de la Roca Intacta, las Discontinuidades y del Macizo Rocoso. Adems se deben considerar los parmetros de deformabilidad y de Resistencia, para evaluar el comportamiento del macizo rocoso frente a los procesos de desestabilizacin debido a los procesos naturales y de construccin de obras.MODELO MATEMATICOEstos modelos se llevan a cavo por medio de mtodos numricos que logran resolver problemas tenso-deformacionales en geomecnica, es decir anlisis de problemas cuando un macizo rocoso es sometido a cargas debido a su propio peso, fuerzas externas, tensiones insitu, cambios de temperatura, fuerzas dinmicas, etc. y que se requiere determinar las tensiones y deformaciones que actan en el macizoSe aplica en los procesos geo-ingenieriles de diseo y construccin en materiales geolgicos, los cuales dependen de la exactitud de los datos de entrada, provenientes de campo y laboratorio. La modelacin numrica proporciona una aproximacin de la influencia de esa variabilidad de datos ingresados y que a su vez predicen de forma aproximada el comportamiento geomecnico del macizo.Se llevan a cabo por medio de:Mtodos de elementos de contorno (MEC)Mtodos de dominio:Mtodos de los elementos finitos (MEF)Mtodo de las diferencias finitas (MDF)Mtodo de los elementos distintivos (MED)CAPITULO 3: PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOSCONTENIDOPropiedades fsicas de los materiales rocosos:propiedades ndicespropiedades de identificacin Propiedades mecnicas de los materiales rocososLECTURA CLAVE:INGENIERIA GEOLOGICA PAG: 125 HASTA 141Propiedades fsicas y mecnicas de los materiales rocososOpuesto a la mecnica de solidos, la mecnica de rocas estudia un comportamiento anisotropico, no lineal y heterogneo de estos, causados por la composicin qumica de los agregados minerales, la fabrica y petrofbrica de las rocas y la meteorizacin y alteracin.

Propiedades fsicasSon el resultado de su composicin mineralgica, fabrica e historia geolgica, deformacional y ambiental, incluyendo procesos de meteorizacin y alteracin.

Propiedades mecnicasSon el resultado entre la interaccin del grado de meteorizacin y fracturacin, presencia de agua, la orientacin y tipo de discontinuidades, el tamao de los bloques entre otro.

CAPITULO 4: CALCULO DE PROPIEDADES INDICES EN MATERIALES ROCOSOSPROPIEDADES INDICESLos materiales rocosos esta formados por tres fases: fase solida, fase liquida y fase gaseosa. La proporcin en peso o volumen de cada una de stas incide en las propiedades ingenieriles.

RELACIONES DE FASELas propiedades de los suelos y las rocas se definen a travs de las relaciones entre los pesos y volmenes de las tres fases que lo componen.

Las relaciones entre pesos y volumen de las fases de suelo ms utilizadas son: Relacin de vacos (e): Se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de slidos. (0.35 15).

Porosidad (n): Se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen total. (20 95 %)

Saturacin (S): Indica el porcentaje de vacos que estn llenos de agua. (0 100%)

Humedad (w): Expresa la proporcin de agua presente en un elemento de suelo. Cuando se hace referencia a la humedad del suelo In Situ en el momento del muestreo, se habla de humedad natural wn.

Densidad ( ): Es la relacin entre la masa y el volumen (g/cm3).

Peso Unitario (): Tiene relacin con la densidad. Es la relacin entre el peso y el volumen (kN/m3), varia dependiendo de la humedad.

Gravedad especfica (Gs): Es la relacin entre el peso de slidos y el peso de un volumen de agua igual al volumen de slidos.

CAPITULO 5:Efecto del agua en los macizos rocosos

CONTENIDOEfectos del agua en los macizosMeteorizacin y erosinFormacin de sueloTransporte de sedimentosLECTURAS CLAVES:Manual de ingeniera geolgica (4/1-4/17)Mecnica de rocas aplicada a la minera subterrnea (pag 141-153) (126-130)Tema III. HIDRULICA DEL MACIZO ROCOSO Dr. Arsenio Gonzlez Martnez Profesor de la Universidad de Huelva - EspaaLa presencia de agua en un talud puede generar una disminucin sobre la estabilidad: Las presiones de poros disminuyen la resistencia al corte a lo largo de la superficie de falla. Las presiones de poros ejercidas sobre las grietas de traccin aumenta las fuerzas que tiende al deslizamiento. Aumento del peso del material por saturacin. Cambios de humedad en algunas terrenos como Shales, lutitas y suelos expansivos, generan problemas de estabilidad.La presencia de agua en un talud puede generar una disminucin sobre la estabilidad: Apertura de discontinuidades por agua congelada (aumento de volumen). Erosin interna por flujo subsuperficial o subterrneo. Costos de excavacin se incrementan (bombeo, explosivos resistentes al agua).Meteorizacin y cambios en la composicin mineralgica de los materiales.CICLO HIDROLGICO:

CONDUCTIVIDAD HIDRULICA Y REDES DE FLUJO:Existen dos aproximaciones para obtener datos sobre la distribucin de presiones de agua dentro del terreno: Deduccin del patrn de flujo de agua subterrnea de la consideracin de la conductividad hidrulica del terreno y fuentes de agua subterrneaMedicin directa de los niveles de agua en pozos de agua, o de presin de agua a partir de piezmetros instalados en perforaciones.Conductividad hidrulica:Este parmetro relaciona la rata de flujo de agua a travs del terreno con el gradiente de presin aplicada a travs de ste:

45POROSIDADEn general, las rocas tienen menor porosidad que los suelos, por ejemplo la porosidad de una arena y una arcilla esta en el rango de 25% - 50% respectivamente:

FLUJO DE AGUA SUBTERRNEA EN MACIZOS FRACTURADOS:Ocurre predominantemente a lo largo de las discontinuidades por la baja permeabilidad de la roca intacta, por lo tanto k, puede ser influenciada por algunas caractersticas de la discontinuidades:Condicin necesaria: Que la persistencia sea mayor que la separacin de las discontinuidades. El anlisis de flujo en rocas fracturadas puede ser llevado a cabo mientras se asuma que la roca es un medio continuo, como ha sido asumido en la derivacin de la ley de Darcy. que la roca no es un medio continuo, pero ocurre flujo laminar en las discontinuidades individuales.CAPITULO 6:ESFUERZO/DEFORMACIONCONTENIDOTeora de esfuerzosClasificacin de esfuerzosClculos de esfuerzos

LECTURAS CLAVESJosu Carrillo Pags. 1-73

IMPORTANCIA DEL ESTUDIOExiste un estado de esfuerzos naturales.Con las obras de ingeniera el estado de esfuerzos puede ser cambiado sustancialmente.Para establecer la resistencia del terreno a determinados tipos de esfuerzos.

ESFUERZOS GEOSTTICOS GRAVITACIONALES:Son aquellos que Se desarrollan bajo la accin de la gravedad, esto es, por el peso propio del terreno.ESFUERZOS TECTNICOS RESIDUALES:Son aquellos que se generan por las fuerzas de la corteza terrestre desarrollados por procesos y movimientos orognicosEsfuerzos principales:Estado de esfuerzos en donde las componentes de esfuerzo cortante son iguales a cero.esfuerzo verticalse calcula como la fuerza ejercida por el peso de la columna de material sobre el rea que acta.

Esfuerzo horizontalEl esfuerzo horizontal es un porcentaje del mximo esfuerzo vertical al que haya estado sometido el punto, la magnitud de ste esfuerzo en cada direccin depender de las condiciones de restriccin horizontalEsfuerzos totales:Son los causados por la fuerza gravitacional sobre las tres fases que componen los suelos y las rocas, es decir que es equivalente al peso propio de las fases, se calcula con parmetros como la profundidad y el peso unitario.Se calculan en direccin vertical, como en direccin horizontal.Esfuerzos efectivosCuando el nivel fretico esta por encima de un punto de una masa de suelo o roca, donde se requieren conocer los esfuerzos, parte de este peso es asumido por el agua y otra por el contacto de los granos que depende de la estructura del suelo. El esfuerzo que se transmite en el contacto entre partculas se denomina esfuerzo efectivo.CAPITULO 7:RESISTENCIA DEFORMABILIDAD

CONTENIDODefiniciones bsicas Resistencia deformacinModulo de Young, relacin de PoissnCurvas tenso-deformacionalesCriterios de rotura: Morh-Coulomb, Hoek-BrownEnsayos de laboratorioLECTURAS CLAVE Ingeniera geolgica El comportamiento mecnico de las rocas est definido por su resistencia y deformabilidad. La resistencia, es el mximo esfuerzo que soporta la roca para determinadas deformaciones. La resistencia de la matriz rocosa se puede obtener en el laboratorio para diferentes condiciones de cargaPara el comportamiento de la matriz se debe tener en cuentaPropiedades fsicas Propiedades mecnicasUna funcin importante en el estudio de la geotecnia, es la de predecir los esfuerzos y deformaciones impuestos en un punto dado en una masa de suelo o roca debido a ciertas condiciones de carga. Lo anterior es necesario para estimar asentamientos y establecer la estabilidad de diferentes problemas.Mdulo de elasticidad:Mdulo elstico que relaciona deformaciones unitarias con esfuerzos.

Un mismo material elstico para diferentes niveles de esfuerzo, puede presentar comportamientos en ciclos de carga y descarga.Relacin de PoissonConstante de materiales elsticos que se puede evaluar teniendo en cuenta las deformaciones unitarias que un esfuerzo produce en dos direcciones en un punto del continuo.

Ensayos de laboratorioNos arrojan:Una curva tenso-deformacional: mediante esta se puede describir el comportamiento pre-falla, falla y posfallaLa resistencia del materialLa resistencia al corte (si haba discontinuidades pre-existentes)Modulo de elasticidadResistencia a la compresin simpleLa resistencia a la compresin simple es una de las principales propiedades de la matriz rocosa, se puede obtener a partir de dos pruebas en el laboratorio: Resistencia a la compresin simple. Resistencia a carga puntualResistencia a la compresin simple

Resistencia a la carga puntual

Anlisis de los resultados de laboratorioLa compresin uniaxial de muestras cilndricas obtenidas de perforacin, es la manera ms comn de ensayar la matriz rocosa. Este ensayo es utilizado para determinar resistencia a la compresin simple, relacin de Poisson, modulo de elasticidad, modulo cortante, y tipo de comportamiento de la matriz rocosa.Es utilizado en la clasificacin de macizos rocosos y como parmetro bsico dentro de los criterios de falla de macizos rocosos.La respuesta observada en el comportamiento de la matriz rocosa, depender de la naturaleza y composicin de la roca y la condicin del ensayo.Para similar mineraloga, c, disminuir con el incremento de la porosidad, incremento del grado de meteorizacin, incremento del grado de microfisuracin y con el incremento del contenido de agua.Debido a estos efectos la resistencia a la compresin uniaxial de muestras de roca con la misma geologa, puede variar ampliamente.De ah, ci, para una arenisca variara con el tamao del grano, el grado de densidad, la naturaleza y grado de cementacin de los granos, y el nivel de presin y temperatura en que la roca ha sido sujeta a travs de la historia geolgica.Sin embargo la geologa del tipo de roca, puede brindar algunos aspectos cualitativos de su comportamiento mecnico. Por ejemplo para alguna roca de origen gneo se puede esperar un comportamiento frgil, rgido y de alta resistencia.No obstante es peligroso considerar estos aspectos sin un juicio para cada caso, el cual debe ser corroborado con inspeccin visual en campo, en laboratorio y con pruebas de laboratorio.La resistencia en roca anisotrpica, vara segn elngulo

Presin de porosLa presin de poros en la matriz rocosa disminuye su resistencia

sta solo afecta a rocas porosas permeables, que permiten la entrada de agua y pueden llegar a saturarse.Aplicacin de carga (ISRM 1979)Rangos de carga de 0.5 a 1 MPa/s.Corresponde aproximadamente a un tiempo de 5 a 10 minutos hasta alcanzarse la resistencia pico (para materiales resistentes en general).Una aplicacin rpida de carga puede producir roturas violentas y una sobrevaloracin de la resistencia del material.ConclusionesLa resistencia a la compresin simple depende:Condiciones de la rocaCondiciones del ensayoLimitaciones de los ensayos de laboratorioRepresentatividadEscalavelocidadCriterios de falla Morh-coulomb

Hoek-Brown

Barton y Choubey

CAPITULO 8DISCONTINUIDADESCONTENIDODiscontinuidades y tipos de discontinuidadesRepresentacin de estereogrfica Representacin en dips Aplicacin del anlisis de discontinuidadesDiscontinuidades Son superficies de debilidad que imparten a la roca una condicin de anisotropa de resistencia, es decir, denotan una interrupcin en la integridad mecnica de la roca.Diaclasas La diaclasa es un plano de discontinuidad, de fractura o de separacin de una roca, que normalmente no implica desplazamiento.

fallasSon fracturas de la corteza terrestre a lo largo de las cuales ha habido un desplazamiento paralelo a la superficie de fractura.

Estratificacin Es una superficie caractersticas de rocas sedimentarias que separa capas de igual o diferente litologaEsquistosidaduna roca presenta esquistosidad cuando tiene una estructura en laminas u hojas paralelas, de origen tectnico.PlieguesSon estratos que han sido sujeto a presiones, o su limite elstico puede alterarse lentamente por arqueamiento y donde la posicin de los estratos es cambiada por tensiones de origen tectnico.Zonas de cizalla Son bandas de material relleno con bajos niveles de friccin, cuyo espesor puede alcanzar algunos metros y en las que las roturas por cizallamiento ha tomado lugar. representan zonas de relajacin de tensiones a travs de rocas sanasCaractersticas de las discontinuidades

Identificacin: tipo de plano Caractersticas (para cada tipo o familia de dascontinuidades): orientacin: direccin y buzamiento espaciado rugosidad apertura relleno espesor grado de meteorizacin filtraciones, discontinuidades con o sin relleno resistencia a la compresin de las paredes ndices de campo valor del penetrmetro de bolsilloResistencia al corte Representacin estereogrfica de discontinuidades

CAPITULO 9CLASIFICACIONES GEOMECANICASCONTENIDOParmetros para las clasificacionesRQDRMRQ-BARTONROMANALECTURAS CLAVES: Ingeniera geolgicaMecnica de rocas aplicada a la minera subterrnea pags 247-270Geotecnia 1pag 7- 15(pdf)Clasificaciones geomecnicas tema 5 (pdf)

Caractersticas y objetivosProporcionar la evaluacin general de macizoEstimar la calidad del macizo rocoso y de los parmetros de resistenciaDividir el macizo en grupos de comportamientoProporcionar una base para comprensin del comportamiento del macizo rocoso.Facilitar la planeacin .y diseo de estructuras en roca.Proporcionar una base comn de comunicacin entre ingenieros y gelogos.Evaluar de manera preliminar el sostenimiento en tneles.Determinacin de propiedades de macizos a partir decorrelaciones empricasClasificaciones existentes

CLASIFICACION DE DEERE o del RQD (1964)Permite la obtencin de un ndice, que es un valor cuantitativo que representa la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta las caractersticas del testigo recuperado en una perforacin, el numero de frecuencia de discontinuidades en un metro lineal o el numero de juntas en un metro cubicoRQD EN SONDEOS

RQD POR METRO CUADRADO

RQD A PARTIR DE FRECUENCIA DE DISCONTINUIDADES

RESULTADOS

CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI (R.M.R)

105CLASIFICACION DE Q-BARTON

CORRELACIONES ENTRE R.M.R Y Q-BARTON

CLASIFICACION DE BIENIAWSKI PARA TALUDES (SMR)

CAPITULO 10: APLICACIONES A TUNELES Y TALUDES 115CONSIDERACIONES PARA EL DISEO EN TUNELESAl realizar la excavacin la roca siempre va a tender a moverse al interior de la estructuraEl estado tensional del macizo se altera La presin del agua se reduce debido a la presin atmosfrica en la excavacin