MECANICA DE ROCAS

TEMA 06

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA MECÁNICA DE FLUIDOS

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MECÁNICA DE ROCAS


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INTRODUCCIÓN


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DEFINICIÓN, FINALIDAD Y ÁMBITOS DE ESTUDIO


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La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamientos mecánicos de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico. El desarrollo de la mecánica de rocas se inicio como consecuencia de la utilización del medio geológico para obras superficiales y subterráneas y explotación de recursos mineros.


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Los distintos ámbitos de aplicación se pueden agrupar en aquellos que el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, galerías, taludes, etc.), aquellos en que la roca es soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.) y aquellos en que las rocas se emplean como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.).


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La mecánica de rocas guarda una estrecha relación con otras disciplinas como la geología estructural, para el estudio de los procesos y estructuras tectónicas que afectan a las rocas, y la mecánica de suelos, para abordar el estudio de rocas alteradas y meteorizadas en superficie. Las masas rocosas aparecen en la mayoría de los casos afectadas por discontinuidades o superficies de debilidad que separan bloques de matriz rocosa o roca intacta constituyendo en conjunto los macizos rocosos.


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Ambos ámbitos son objeto de estudio de la mecánica de rocas, pero son principalmente los planos de discontinuidades los que determinan el carácter diferencial de esta disciplina con respecto al estudio de los suelos, y los que hacen que la mecánica del medio rocoso presente un carácter discontinuo y anisótropo.


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La finalidad de la mecánica de rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos. Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.


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A nivel microscópico, las partículas minerales sufren desplazamiento y se pueden generar planos de fractura como respuesta al nuevo estado de tensiones. El conocimiento de las tensiones y las deformaciones que pueden llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería.


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La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza. Las propiedades física controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa (composición mineralógica, densidad, estructura y fábrica, porosidad, permeabilidad, alterabilidad, dureza, etc.), y que son resultados de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.


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En el comportamiento mecánico de los macizos rocoso influyen además las características geológicas: Litologías y estratigrafías, estructura geológica, discontinuidades tectónicas o diagenéticas, estados de esfuerzos in situ, etc. A ambas escalas la respuesta mecánica es también función de otros factores como las condiciones hidrogeológicas y las condiciones ambientales, el clima y los fenómenos meteorológicos, que actúan sobre el medio geológico y dan lugar a los procesos de alteración y meteorización, modificando las propiedades iniciales de las rocas y macizos rocosos.


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El estudio de la estructura geológica y las discontinuidades es un aspecto fundamental en la mecánica de rocas: Los planos de debilidad preexistentes controlan los procesos de deformación y rotura en los macizos a cotas superficiales, donde se realizan la gran mayoría de las obras de ingeniería. Por ejemplo, en macizos rocosos formados por bloques de rocas duras, con propiedades resistentes elevadas, serán las discontinuidades las que controlen los procesos de rotura y deformación, mientras que en macizos diaclasados con matriz rocosa blanda las diferencias en el comportamiento de ambos no será tan relevante.


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Las obras de ingeniería modifican el estado tensional a que están sometidos los macizos rocosos en un tiempo muy corto en relación a los procesos geológicos, y pueden tener lugar interacciones mutuas entre la liberación o redistribución de los esfuerzos naturales y a las estructuras. Por ello, es importante conocer el estado de tensiones previo y evaluar su influencia sobre las obras.


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El agua presente en los macizos rocosos reduce su resistencia, genera presiones en el interior de los mismos y altera sus propiedades, dificultando las excavaciones superficiales y subterráneas. Para evaluar la influencia del agua deben estudiarse las características de la permeabilidad y el flujo en los macizos rocosos. Las propiedades del medio rocoso deben evaluarse teniendo en cuenta las condiciones del agua subterránea.


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Las obras aceleran determinados procesos que de una forma natural tardarían cientos o miles de años en producirse: La meteorización de superficies rocosas excavadas, a liberación de tensiones naturales y apertura de discontinuidades, la modificación de flujos de agua, etc.. Todo ello da lugar a la disminución de la resistencia de los macizos rocosos en periodos de tiempo muy cortos (meses o unos pocos años).


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La meteorización, causante de la desintegración y la descomposición del material rocoso, es el más importante de los procesos tiempo-dependientes, afectando principalmente a las rocas arcillosas. También puede darse procesos de hinchamiento o expansión en algunos tipos de rocas por liberación de tensiones o por reacciones químicas, como el paso de anhidrita a yeso por hidratación.


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Para predecir la respuesta de los macizos rocosos ante una determinada actuación que suponga un cambio de las condiciones iniciales, deben estudiarse sus propiedades globales y su comportamiento mediante los métodos de investigación y estudio habituales en ingeniería geológica y geotécnica. Los ensayos en laboratorio permiten cuantificar las propiedades físicas y mecánicas de la matriz rocosa que definen su comportamiento mecánico: la naturaleza de la roca, la resistencia a la rotura, deformación a corto y largo plazo, comportamiento ante la meteorización, etc.


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Los ensayos in situ miden las propiedades de los macizos rocosos en su estado y condiciones naturales y a escalas representativas, además de permitir simular sobre el terreno situaciones a las que se puede ver sometido el macizo al construir una obra o estructura.


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ROCAS Y SUELOS


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Las rocas son agregados naturales duros y compactos de partículas minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se consideran un sistema continuo. La proporción de diferentes minerales, la estructura granular, la textura y el origen de la roca sirve para su clasificación geológica. Los suelos, según su acepción en ingeniería geológica, son agregados naturales de granos minerales unidos por fuerzas de contacto normales y tangenciales a las superficies de las partículas adyacentes, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en aguas.


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A diferencia de los suelos, la composición, características y propiedades de las rocas son altamente variables, confiriendo a los materiales naturales un carácter heterogéneo y anisótropo, lo que hace que el estudio y la modelización de su comportamiento en el laboratorio sea una labor difícil, debido, entre otros factores, a los problemas asociados a la obtención de muestras representativas y a la escala de trabajo. Además las rocas están afectadas por procesos geológicos y ambientales que dan lugar a su fracturación, alteración y meteorización.


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En cuanto a las propiedades físicas y mecánicas, algunas de las principales características diferenciales de las rocas son: o Generación de mecanismos y superficies de fractura

en los procesos de formación.

o Módulo de deformación altos en comparación con los suelos.

o Baja permeabilidad en comparación con los suelos.


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CONCEPTO


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La Mecánica de Rocas se encarga del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.

Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se agrupan en:

o Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, galerías, taludes, etc.).

o Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.).

o Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.).


Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.


El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería.

La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.


MACIZO ROCOSO


Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso.

Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos.

Prácticamente pueden considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula.


DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIÓN DESDE LA ROCA INTACTA

HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.

FACTORES GEOLÓGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

DE LOS MACIZOS ROCOSOS


o La Litología y propiedades de la matriz rocosa.

o La estructura geológica y las discontinuidades.

o El estado de esfuerzos a que está sometido el material.

o El grado de alteración o meteorización.

o Las condiciones Hidrogeológicas.

METEORIZACIÓN DE LOS MATERIALES ROCOSOS


PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO:

o Formación de hielo.

o Insolación.

o Formación de sales.

o Hidratación.

o Capilaridad.


PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN QUÍMICO:

o Disolución

o Hidratación

o Hidrólisis

o Oxidación y Reducción


EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS


El agua como material geológico coexistente con las rocas influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas. Los efectos más importantes son:

o Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados.

o Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.

o Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia.


o Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua.

o Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos rocosos.

o Es un agente erosivo.

o Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la composición del agua.


El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y permitir que las piezas de rocas se muevan.


En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento de la roca será muy rápido. La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influye significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.


CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS


Los macizos rocosos se clasifican basados en factores que determinen su comportamiento mecánico:

o Propiedades de la matriz rocosa.

o Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:

El grado de fracturación (índice RQD).

El tamaño y la forma del macizo.

Sus propiedades hidrogeológicas.

o Grado de Meteorización o Alteración.

o Estado de Tensiones In Situ.

o Presencia de agua.

Dependiendo de sus características y condiciones, la masa rocosa puede variar de una mina a otra, como también de área en área dentro de una misma mina. Con el paso del tiempo crecen las labores mineras y el minado se realiza a mayores profundidades, desarrollándose así diferentes problemas de inestabilidad en la roca. Conocer la roca permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO


Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de clasificación geomecánica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y otros. Por su simplicidad y utilidad, están los criterios RMR (Valoración de la Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de Resistencia Geológica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecánicos.


EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI I. La resistencia compresiva (Rc): De la roca intacta,

que puede ser determinada con golpes de picota o con otros procedimientos como los ensayos de laboratorio.

II. El RQD (Rock Quality Designation): Puede ser determinado utilizando los testigos de las perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la longitud total del taladro.


III.El espaciamiento de las discontinuidades.

IV. La condición de las discontinuidades, referidas en este caso a la persistencia, apertura, rugosidad, relleno y meteorización.

V. La presencia de agua.


TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA

MATRIZ ROCOSA


Es el material rocoso exento de discontinuidades, o bloques de roca intacta que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su microestructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso específico, resistencia y deformabilidad.

PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA


Propiedades físicas: Controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa, y son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

Propiedades físicas índices: Composición Mineralógica, Fábrica, textura, Porosidad, Peso Específico, Contenido de humedad, Permeabilidad, Durabilidad (Alterabilidad).

Propiedades mecánicas: Resistencia a la Compresión Simple, Resistencia a la tracción, Velocidad de propagación de las ondas elásticas, Resistencia, Deformabilidad.

En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influyen además las Características Geológicas: Litológicas, Estratigrafía, Estructura Geológica, Discontinuidades tectónicas o Diagénicas, Estados de esfuerzos In Situ.

Orientación de las excavaciones: La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa. Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45 °. Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación, las mismas que presentan inestabilidad.

En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.

Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza paralela a una falla

Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la excavación, las mismas que presentan buena estabilidad.

El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la excavación.


En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña.

Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las condiciones de estabilidad de las excavaciones. En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.

Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina. (a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo de condiciones desfavorables.


Al definir un volumen de macizo rocoso, implícitamente estamos también definiendo el tamaño de los “trozas de roca” y de las estructuras que conforman este volumen a estudiar.


DISCONTINUIDADES


Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso.

Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja o nula.

Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del material de relleno.

Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

ANISOTROPÍA


La presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familia de diaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades y comportamiento mecánico en función de la dirección considerada.

También la orientación de los esfuerzos que se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una anisotropía asociada al estado tensional.


MACIZO ROCOSO

DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA


Los principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son: Planos de estratificación: Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias. Fallas: Son fracturas que han tenido desplazamiento; Éstas son estructuras menores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina. Zonas de corte: Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN

ZONAS DE CORTE

Diaclasas: También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa. Planos de exfoliación o esquistosidad: Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas. Contactos litológicos: Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

DIACLASAS

PLANOS DE EXFOLIACIÓN O ESQUISTOSIDAD

CONTACTOS LITOLÓGICOS

Venillas: Son rellenos de las fracturas con otros materiales. Pliegues: Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados. Diques: Son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales..


VENILLAS

PLIEGUES

DIQUES

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES


Orientación: Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades. Espaciado: Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

ORIENTACIÓN

ESPACIADO

Persistencia: Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable. Rugosidad: Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente.

PERSISTENCIA

RUGOSIDAD

Apertura: Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables. Relleno: Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

APERTURA

RELLENO

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA


De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada: o Si la roca intacta es dura o resistente y las

discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará condiciones favorables cuando sea excavada.

o Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada.

o Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada.


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