Mecanica de Rocas

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MECANICA DE ROCAS 2015 GEOLOGIA APLICADA Ing. Rubén López

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MECANICA DE ROCAS

2015 GEOLOGIA APLICADAIng. Rubén López

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• Definición, Finalidad y Ámbitos de Estudio: La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y practico de las propiedades y el comportamiento mecánico de los materiales rocosos.El desarrollo de la mecánica de rocas se inicio como consecuencia de la utilización del medio geológico para obras superficiales y subterráneas.La mecánica de rocas guarda una estrecha relación con otras disciplinas como la geología estructural, para el estudio de procesos y estructuras tectónicas que afectan a las rocas, y a la mecánica de suelos, abordar el estudio de rocas alteradas y meteorizadas en superficie. Las masas rocosas aparecen en la mayoría de los casos afectados 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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• Las propiedades físicas controlan las características resistentes y deformaciones de la matriz rocosa (composición mineralógica, densidad, estructura y fabrica, permeabilidad, etc.) y son el resultado de la diagénesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

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• Rocas y suelos

• Las rocas son agregados naturales duros y compactados 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 sirven para su clasificación geológica.

• Los suelos, según su acepción en ingeniería geológica, son agregados naturales de granos y tangenciales a las superficies de las partículas adyacentes, separables por medios orgánicos de poca energía o por agitación del agua.

• 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 nuestras representativas y , a la escala de trabajo.

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• Macizos y rocosos

Se ha definido que las masas rocosas se presentan en la naturaleza afectadas por una serie de planos de discontinuidad o debilidad que separan bloque de matriz rocosa, formando los macizos rocosos. Para el estudio de comportamiento mecánico del macizo deben estudiarse las propiedades tanto de la matriz de las discontinuidades .Esta estructura en bloques confiere una naturaleza discontinua a los conjuntos rocosos en cuanto a sus propiedades y a su comportamiento. Además la presencia de discontinuidades sistemáticas con determinada orientación, como los planos de estratificación o superficies de laminación, implica un comportamiento anisótropo, es decir , las propiedades mecánicas cambian según la dirección considerada: Por ejemplo las resistencia de un macizo rocoso estratificado puede variar drásticamente para las direcciones paralela perpendicular alas orientaciones de los planos de estratificación.

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• Transición roca-suelos

Los suelos se originan por los procesos de alteración y disgregación de las rocas sedimentarias, ígneas o metamórficas a que dan lugar de origen a los procesos geológicos externos y fenómenos climáticos. Se forman suelos residuales cuando el producto de descomposición de la roca permanece en el lugar de origen, o suelos trasportados cuando no permanece en su lugar de origen.Estos procesos físicos comienzan en el momento en que una roca situada en la superficie terrestre sufre fragmentación mecánica por fenómenos físicos o químicos y, en el caso de los suelos trasportados, comprenden las siguientes etapas:- Disgregación y re movilización de las partículas por alteración y meteorización de la roca madre.- Transporte del material y meteorización por agentes con ciertos niveles de energía.- Acumulación de material en zonas de bajo nivel energético indicándose los procesos de sedimentación controlados por las características mecánicas, fisico-quimicas y biológicas de ambiente.

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Matriz rocosa, discontinuidades y macizo rocoso Matriz rocosa es el material rocoso exento de discontinuidades, o los bloques de roca intacto que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento, heterogéneo y anisótropo ligado a su fabrica y a su microestructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso especifico, resistencia y deformación.Una discontinuidad es cualquier plano de origen mecánico o sedimento que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en un macizo rocoso. Generalmente la resistencia a la atracción de los plano de discontinuidad es muy baja o nula.

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• Propiedades físicas y mecánicas de los materiales rocosos

Característica del medio rocoso El estudio de la mecánica de solidos asume generalmente un comportamiento homogéneo, continuo, isótropo, elástico y lineal que los materiales rocosos no presentan.La gran variabilidad de las características y propiedades físicas y mecánicas se refleja tanto a escala de matriz rocosa como de macizo roco fracturado.

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Propiedades físicas de la matriz rocosa

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Clasificación de las rocas con fines geotécnicosLas clasificación geológica son muy importantes ya qué aportan información sobre la composición mineralógica, la textura y la fabrica de roca, así como la isotropía o anisotropía estructural en las rocas masivas frente a rocas laminadas o foliadas. La resistencia a compresión simple es la propiedad mas frecuente medida den las rocas, y en base a su valor se establecen clasificaciones y en mecánica de rocas.Otro valor empleado para la clasificación mecánica de la matriz rocosa es el modulo relativo o relación en entre su modulo de elasticidad y su resistencia a compresión libre.El grado de meteorización o alteración de la matriz rocosa permite clasificar las rocas cualitativamente, y aporta una idea sobre sus características mecánicas o geotécnicas. La meteorización aumente la porosidad , la permeabilidad y la deformidad del material rocos, y disminuye su resistencia

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• Meteorización de los materiales rocososProcesos de meteorizaciónLa meteorización es la desintegración y descomposición de los materiales geológicos en superficie. El termino incluye todas aquellas alteraciones de carácter físico químico que modifican las características y propiedades de los materiales.Las acciones de origen físico producen la fracturación de las rocas. Las mas importantes controladas por el clima, en especial por la temperatura y la humedad• Formación de hielo • Insolación • Formación de sales• Hidratación• Capilaridad

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• Meteorización de la matriz rocosa La meteorización física de la matriz rocosa da lugar a exfoliación por planos de direcciones preferentes apertura de micro discontinuidades por hielo o por crecimiento de sales, cambio de volumen por cambios de humedad y temperatura, etc.

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• Meteorización de macizos rocosos Los procesos de meteorización que actúan sobre el macizo rocos afectan tanto a los bloque de matriz rocosa como a los planos de debilidad o discontinuidad existentes. Como consecuencia de la meteorización mecánica o física de los macizos rocos se pueden abrir las discontinuidades existentes o crearse otras nuevas por fractura de la roca, al romperse los contactos entre granoso producirse la rotura de los minerales de matriz rocosa.

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EL AGUA SUBTERRANEAPermeabilidad y flujo de aguaLas rocas los suelos y e agua son los tres elementos minerales que constituyen el medio geológico. El agua fluye a través de los suelos y rocas con mayor o menos velocidad. Es la función de que la roca tenga o no capacidad para transmitir agua, denomina permeable o impermeable, dependiendo de su porosidad y de la interconexión entre los poros .Efectos sobre las propiedades de los macizos rocososEl agua con material geológicos coexiste con las rocas e influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante fuerzas aplicadas. Los Efector mas Importantes son:• Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.• Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye

en su resistencia.• Juega un papel importante en la resistencia de las rocas

blandas y de los materiales meteorizados.

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EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOSEl agua como material geológico coexiste con las rocas en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas. Los efectos mas importantes son:- Juega un papel importante en la resistencia de la rocas

blandas y de los materiales meteorizados.- Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.- Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su residencia.- Las zonas alteradas y meteorización superficiales, las

discontinuidades importantes y las fallas son caminos preferentes para el flujo del agua.

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

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DISCONTINUIDADES

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TIPOS DEDISCONTINUIDADES

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En algunos casos, las superficies de falla forman quebradas a lo largo de la topografía del terreno.

Estrías de falla muy notorias sobre la superficie de falla panizada (espejo de falla).

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TENSIONES NATURALESTensiones de

origen tectónico. 

Tensiones gravitacionales.

 Tensiones de

origen renovable.

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CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICALa descripción y medida de las características y propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades y de los parámetros del macizo rocoso, proporcionan los datos necesarios para la evaluación geo mecánica global del macizo.

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Tenciones y deformaciones en rocas• Mecanismos de rotura El proceso de rotura de la rocas es muy variado y complejo, englobando varios tipos de fenómenos de manera conjunta e anteviniendo múltiples factores. El análisis de la rotura en las rocas es mas complejo que en suelos. A continuación se describen los distintos mecanismos de rotura en el medio rocoso, ilustrándolos con algunos ejemplos a nivel de macizo rocoso.

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• Rotura por tracciónEste tipo de rotura se produce cuando la disposición y estructura del macizo rocoso hace que una cierta sección de la roca este sometida a una tracción pura o casi pura. En la realidad son situaciones difíciles de producirse. Un ejemplo puede ser el estado fraccional que se genera en algunos tramo de la superficie de rotura de un talud• Rotura por colapsoUna rotura de colapso mecánico se produce bajo condiciones de compresiones isotrópica, es decir, cuando el material recibe compresiones en todas las direcciones del espacio.