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Carrera de Construcciones CivilesPRINCIPIOS DE MECANICA DE ROCAS

1. CONSIDERACIONES GEOLOGICAS Se define roca como un agregado solido, formado por uno o varios minerales, que se encuentra ocupando grandes extensiones de corteza terrestre. En mecánica de rocas se habla en muchas ocasiones de ROCA O ROCA INTACTA para referirse a un elemento (trozo, bloque, probeta) de roca que no presenta discontinuidades observables.En la naturaleza las rocas aparecen muy comúnmente atravesadas por distintos caracteres geológicos estructurales y discontinuidades de variado origen geológico, como la estratificación, esquistosidad, pliegues, fallas y juntas o diaclasas. Al conjunto de estas discontinuidades que atraviesan la roca se le suele denominar ESTRUCTURA del macizo rocoso.Así pues, los macizos rocosos, que son el principal objeto de estudio y material de trabajo en mecánica de rocas, consisten una serie de bloques o elementos de roca intacta y una estructura formada por múltiples discontinuidades (comúnmente agrupadas en familias) y otros caracteres estructurales. U naturaleza y comportamiento dependerá, por tanto, de ambos (roca + discontinuidades) influyendo mas unas u otras en función de las características del macizo y las propiedades, situación y volumen de las obras que se realicen en ellos.CONCEPTO GENERAL DE MECÁNICA DE ROCAS La mecánica de Rocas es la ciencia teórica y aplicada que trata del comportamiento mecánico de las rocas; es la rama de la Mecánica que estudia la reacción de las rocas a los campos de fuerza de su entorno Físico

El problema ingenieril del diseño estructural de excavaciones, ya sean subterráneas o a cielo abierto, que trata de resolver la mecánica de rocas es la predicción del comportamiento mecánico del macizo rocoso en una determinada obra o explotación sujeta a las cargas que se le apliquen a lo largo de toda su vida operativa; contemplada desde un punto de vista la mecánica de rocas se debería llamar mas propiamente ingeniería de los macizos rocosos.La mecánica de rocas aplicada a la practica minera y a la ingeniería civil parte de la ingeniería mecánica clásica y de la mecánica de medios continuos, pero la naturaleza variable de los materiales que analiza, la confieren un elevado numero de factores específicos que la identifican como una disciplina diferente y coherente del campo de las ingenierías de minas y civil.Una definición comúnmente aceptada de mecánica de rocas propuesta en 1974 por el comité americano de esta disciplina es:

“Mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada que estudia el comportamiento de mecánica de las rocas y los macizos rocosos. Seria pues la rama de ingeniería dedicada el estudio de la respuesta de las rocas y macizos rocosos al campo de fuerzas que actúan en su entorno fisico”.Así definida, esta disciplina es básica para la minería y la ingeniería civil, ya que el hecho de realizar excavaciones modifica los campos de fuerza en el entorno físico de las rocas. Como se podrá ver en el desarrollo de este tema, el estudio de la respuesta de los minerales requiere la aplicación de un buen numero de técnicas analíticas desarrolladas específicamente para la materia y que hoy día forman parte de su cuerpo de doctrina. La mecánica de rocas forma a su vez parte de la geotecnia o geomecanica, que estudia el comportamiento de todos los materiales de origen geológico por si solo y en su interacción con estructuras y de la que también forma parte de la mecánica de suelos.

En síntesis los Elementos de Mecánica de Rocas podemos decir:

Es la ciencia teórica y aplicada que trata del comportamiento mecánico de las rocas Es la ciencia que estudia el comportamiento mecánico de las masas rocosas que se encuentran bajo la

acción de fuerzas producidas por fenómenos naturales ó impuestos por el hombre Búsqueda cualitativa y cuantitativa de los fenómenos naturales y ´su relación con el comportamiento de

los materialesELEMENTOS DE MECANICA DE ROCAS

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Carrera de Construcciones CivilesLa mecánica de rocas, como la mayor parte de las otras disciplinas de las ciencias de la tierra, encuentra su origen por una parte en la búsqueda de explicaciones cualitativas y cuantitativas de los fenómenos naturales observados con minuciosidad por el naturalista y por otra en la actividad industriosa de los ingenieros investigando las mejores soluciones técnicas para definir y controlar el comportamiento del terreno en los trabajos de exploración de recursos naturales y en las obras civiles.Para lograr la solución de problemas en este campo es necesario el conocimiento de:

a) La deformabilidad de macizos rocosos, asi como la relación entre esfuerzo – deformación.b) La resistencia de los macizos rocosos asi como las condiciones que provocan su ruptura.c) El estado de esfuerzo inicial o residual al que se encuentran sometidos el macizo rocoso.d) Los estados de esfuerzos que se desarrollan en el macizo, en virtud de las solicitaciones (estaticas y

dinamicas )aplicadas, incluidas las bebidas a flujo de agua.PRINCIPALES APLICACIONES DE MECÁNICA DE ROCAS La mecánica de rocas tiene multiples aplicaciones dentro del campo de la ingeniería como puede ser:

Excavaciones subterráneas.- para diversos propósitos tales como: explotación de minerales, tuneles o cavidades para almacenamiento de agua petróleo , gas , armamento, desperdicios atomicos, tuneles para conducción de agua (potable, aguas negras, desvio, vertederosm, desfogue) y para alojar tuberías de presión ; tuneles para fines de transporte terrestre, submarinos y subfluviales para trenes, tranvías, veiculos automotores y peatonalesm, cavidades en zonas urbanas (estacionamientos, centros comerciales y casas habitación), y casas de maquinas hidroeléctricas.

Excavaciones a cielo abierto.- para explotación de bancos de roca cuyo producto se empleara en diversos fines, a saber: escolleras, relleno para soporte de estructuras, pedraplenes, balasto, agregados para concreto, enrocamientos, fachadas de casas e interiores, etc. Excavación para extracción de minerales, cortes en vías terrestres, canales para conducción de agua y otros minerales.

Cimentación de presas.- plantas nucleoeléctricas, torrez de transmisión, edificios y casas, otras estructuras urbanas, reactores, radares y puentes.

Otras aplicaciones.- como el uso del fracturamiento hidráulico para extracción de petróleo o activación de pozos geotérmicos, tratamiento de masas rocosas mediante inyecciones.

2. LITOLOGIA La litología es la parte de la geología que estudia a las rocas, especialmente de su tamaño de grano, del tamaño de las partículas y de sus características físicas y químicas. Incluye también su composición, su textura, tipo de transporte así como su composición mineralógica, distribución espacial y material cementante.La litología es fundamental para entender cómo es el relieve, ya que dependiendo de la naturaleza de las rocas se comportarán de una manera concreta ante los empujes tectónicos, los agentes de erosión y transporte, y los diferentes climas de la Tierra.Entendemos por roca una masa de materia mineral coherente, consolidada y compacta. Se puede clasificar por su edad, su dureza o su génesis (ígneas, sedimentarias y metamórficas).Cuando existen rocas masivas de un solo tipo, o con una estructura similar, la naturaleza de las rocas puede condicionar el relieve. Los tipos de relieve por causas litológicas más significativos son: el relieve cárstico, el relieve sobre rocas metamórficas y el relieve volcánico.El ciclo litológico o ciclo delas rocas es un compendio de procesos es el compendio de situaciones, procesos y materiales que permiten que cualquier material sobre la corteza terrestre pueda con el paso del tiempo geológico, transformarse en una roca: sedimentaria, metamórfica o ígnea.

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Fue desarrollado por James Hutton a finales del siglo XVIII y nos indica que:En una primera etapa de formación, el magma procedente del interior de la corteza terrestre se enfría en su camino de ascensión hacia capas superficiales, dando lugar a una roca ígnea, que podrá ser extrusiva, si alcanza la superficie y se deposita sobre ella, mediante las erupciones volcánicas (Lava solidificada) o intrusiva, que se produce cuando va subiendo por las cavidades y grietas de la corteza terrestre, sin llegar aflorar en superficie (granito)Estas últimas por desgaste de las capas superiores o bien por levantamientos verticales, pueden aflorar en superficie, sometidas en este caso a los agentes de meteorización que darán lugar a la disgregación de las rocas y a la formación de los suelos.La erosión y el transporte producirán que las pequeñas partículas disgregadas, sean transportadas y almacenadas en cuencas sedimentarias (principalmente los océanos, donde por el peso, poco a poco irán compactándose y sufriendo el proceso de diagénesis, aquel por el cual a partir de sedimentos se conforman las rocas sedimentarias mediante el proceso de litificación de estos.Estas rocas, una vez consolidadas pueden por levantamiento cortical aparecer en la superficie terrestre entrando de nuevo en el ciclo de meteorización-erosión-transporte o bien continuar descendiendo en la corteza terrestre debido a los procesos orogénicos. Es en ese momento cuando los cambios en la presión y en la temperatura ambiente producen alteraciones de los minerales dando lugar a rocas metamórficas. En este caso encontramos arcillas que se transforman pizarras o granitos que se pueden dar lugar a gneis.Una vez llegados a ese punto, las rocas metamórficas pueden por levantamiento cortical ascender y aflorar también en superficie, o bien sufrir niveles de calor y presión elevados que den lugar a la transformación de estas en rocas ígneas, cerrándose así el ciclo.En este sentido también es de destacar la posibilidad de que rocas ígneas se transformen en metamórficas sin pasar por el proceso de diagénesis, simplemente por una disminución de la temperatura y dela presión De la formación de cada una de estas rocas, encontramos materiales y texturas de formación completamente distintas. Así como en la sedimentarias podemos ver incluso los clastos de formación de la roca y el cemento matriz de unión (conglomerados), en el caso de las ígneas y de las metamórficas es mucho más complicado.

2.1 Formaciones litológicas

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Carrera de Construcciones CivilesLos diferentes tipos de rocas suelen aparecer de modo regular, lo que permite definir una serie de grupos litológicos o formaciones. Estas se caracterizan por tener un conjunto de capas relativamente homogéneas, bien por el tipo de rocas, bien por el color (pátina), o por otras características (como la resistencia a la meteorización, etc.), que se diferencian a simple vista en el campo. Así, los geomorfólogos distinguen en el Parque seis formaciones, de abajo a arriba (véase mapa):

a. Formación Estrecho. En ella predominan las calizas, de color gris claro a gris oscuro, con una potencia de 350 a 380 m en Ordesa (<200 en Bujaruelo). En su base aparecen dolomías arenosas, con niveles de cantos de cuarzo. No es demasiado visible en el Parque, pues suele estar cubierta por derrubios de ladera o bosques. Donde mejor se aprecia es en las cascadas del Estrecho (Ordesa), aunque también es visible en Añisclo, Bujaruelo, Pineta y Gavarnie.

b. Formación Tozal o Areniscas de Marboré. Compuesta por calizas arenosas y areniscas de grano fino con cemento calcáreo (dolomítico en su parte alta). Se identifica por su pátina pardo- amarillenta, a veces rojiza, color que toman las rocas al meteorizarse. Alcanza espesores de 400 m en Añisclo, 440 en Ordesa y 580 en Bujaruelo. Esta formación constituye la mayor parte de los escarpes de los valles del Parque, colonizados por un buen número de endemismos rupícolas como Androsace cylindrica subsp. cylindrica, Silene borderei o Saxifraga aretioides. También aflora en las cumbres de Marboré, Taillón, Soum de Ramond, etc., donde aparecen un grupo de comunidades de cresta alpina, el Androsacion ciliatae, con una serie de endemismos como Saxifraga pubescens subsp. iratiana o Androsace ciliata.

c. Formación Salarons. Sobre las Areniscas de Marboré se instala una serie calcárea, menos homogénea que las anteriores, con dolomías de pátina gris claro y espesores de 50 a 70 metros. La vemos en la solana de Ordesa, Añisclo y área de cumbres.

3. CLASIFICACION DE LAS ROCAS Las clasificaciones de los macizos rocosos están basadas en elguno o varios de los factores que determinan su comportamiento mecánico:

Propiedades de la matriz rocosa. Frecuencia y tipo de las discontinuidades, que definen el grado de fracturación, el tamaño y la forma de

los bloques del macizo, sus propiedades hidrogelogicas, etc. Grado de meteorización o alteración. Estado de tensiones in situ. Presencia de agua.

CLASIFICACION DE LAS ROCAS POR SU ORIGENROCAS SEDIMENTARIAS

Detríticas:Químicas:Organicas:

Cuarcita, arenisca, lutita, limolita, conglomerado.Evaporitas, caliza dolomítica.Caliza carbón, rocas coralíferas.

ROCAS IGNEAS Plutónicas:Volcánicas:

Granito, gabro, diorita.Basalto, endesita, riolita.

ROCAS METAMORFICAS

Masivas:Foliadas o con esquistosidad:

Cuarcita, mármol.

Pizarra, filita, esquisto, gneiss.

Como hemos podido observar anteriormente existen 3 tipos de rocas que tapizan la corteza terrestre: Rocas sedimentarias, rocas ígneas y rocas metamórficas, cuyo origen es completamente distinto. Desde las sedimentarias que se forman por diagénesis de sedimentos, hasta las ígneas formadas por el enfriamiento del magma y las metamórficas debido a las transformaciones de las rocas ígneas y sedimentarias mediante variaciones en presión y temperatura, ofrecen una amplia gama de materiales que combinan minerales de la corteza terrestre.

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Destacar que estas clasificaciones son orientativas, puesto que dentro de cada grupo se pueden clasificar las rocas por origen, textura, composición y muchos otros parámetros que somos capaces de medir.Las rocas formadas en el ciclo litológico, configuran la base de nuestra corteza terrestre. Es donde se desarrollan todas las actividades humanas y aunque su proceso de formación es muy lento, están en continuo estado de formación y destrucción. Rocas sedimentarias, metamórficas o ígneas se forman y se destruyen de modo continuo gracias a los agentes externos que se encargan de meteorizarlas dentro del ciclo litológico.La variabilidad de estos factores y el carácter discontinuo y anisótropo de los macizos rocosos implica la dificultad para establecer clasificaciones geotécnicas o geomecanicas generales validas para los diferentes macizos.Las clasificaciones mas utiles en mecánica de rocas son las denominadas geomecanicas.De las cuales la RMR de Bieniawski y la Q Barton son las mas utilizadas, establecen deferentes grados de calidad del macizo en función de las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades y proporcionan valores estimativos de sus propiedades resistentes globales.

Existen otras clasificaciones basadas en diferentes parámetros mas o menos representativos de las propiedades del conjunto del macizo rocoso, la que se presenta en el cuadro considera el grado de fracturación, medido mediante el índice RQD, y clasifica al macizo en diferentes grados de calidad.También el numero de familias de discontinuidades, el tamaño y la forma de lso bloques de matriz rocosa son parámetros que se emplean para establecer clasificaciones que aportan información sobre su configuración y grado de fracturación.

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4. DISCONTINUIDADES GEOLOGICAS

Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de una forma definitiva sus propiedades y comportamiento resistente, deformacional e hidráulico, las discontinuidades imprimen un carácter discontinuo y anisótropo a los macizos, haciéndolo mas deformables y débiles, lo que supone una gran dificultad para evaluar el comportamiento mecánico de los mismos frente a las obras de ingeniería. Las discontinuidades representan planos deferentes de alteración, meteorización y fractura, y permiten el flujo de agua. Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental para el estudio de comportamiento mecánico e hidrogeológico del macizo rocoso. La estabilidad de las excavaciones en roca, por ejemplo, depende de la orientación y de la resistencia de las discontinuidades en las obras de ingeniería.La orientación relativa de las discontinuidades con respecto a

una instalación y obra de ingeniería (excavación, cimentación etc) puede suponer que el terreno sea o no estable, como se ve en la figura. En el caso de excavaciones en superficie, para una misma configuración del macizo rocoso , la estabilidad del talud depende de su orientación con respecto a las discontinuidades; en una presa de bóveda, las presencia de discontinuidades paralelas a la dirección de la resultante de las fuerzas que transmiten la presa y el agua puede dar lugar a problemas de estabilidad; en el caso de un túnel, las discontinuidades con dirección paralela a su eje y con buzamientos elevados son igualmente desfavorables. La importancia de la orientación aumenta si se dan otras características, como un número importante de juntas, espaciados pequeños, bajos ángulos de rozamiento, etc.

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Carrera de Construcciones CivilesLa presencia de diversas familias de discontinuidades con diferente orientación define el grado de fracturación del macizo rocoso, la forma y el tamaño de los bloques de matriz rocosa.La resistencia al corte de las discontinuidades es el aspecto mas importante en la determinación de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, y para su estimación es necesario describir las características físicas y geométricas de los planos, ya que no siempre es posible determinarla adecuadamente en ensayos de laboratorio o de campo. Las discontinuidades se presentan agrupadas en familias que se caracterizan por sus valores medios representativos de orientación y características físicas y resistentes. Las discontinuidades de una misma familia son paralelas o subparalelas entre si, en ocaciones aparecen macrodiscontinuidades o discontinuidades singulares que atraviesan todo el macizo rocoso, por encima de las diferentes familias, cuyo estudio debe ser abordado de forma individual.

Tipos de discontinuidades: El termino discontinuidad hace referencia a cualquier plano de separcion en el macizo rocoso, pudiendo tener origen sedimentario, como las superficies de estratificación o laminación, diagenetico o tectónico, como las diaclasas o las falla en el cuadro siguiente se agrupan los diferentes tipos de discontinuidades en sistemáticas, cuando aparecen familias y singulares, cuando aparece un único plano que atraviesa el macizo rocoso estos últimos suelen ser mas continuos y persistentes que las discontinuidades sistemáticas, pudiendo llegar, en el caso de las fallas, a dimensiones de varios kilómetros. Mientras que las familias quedan caracterizadas por la orientación estadística referida a una orientación media y por sus características generales, las discontinuidades singulares requieren una descripción y un tratamiento individualiado ç. Pueden llegar a controlar el comportamiento mecanico del macizo por encima de la influencia de las discontinuidades sistematicas.TIPOS DE DISCONTINUIDADES DISCONTINUIDADES SISTEMATICAS SINGULARESPlanares Planos de estratificación.

Planos de laminación. Diaclasas o juntas. Planos de esquistosidad.

Fallas. Diques. Discordancias.

Lineales Interseccion de discontinuidades planares

Lineaciones

Eje de pliegues

Las diaclasas o juntas son los planos de discontinuidad mas frecuentes en los macizos , y corresponde a una superficie de fracturación o rotura de la roca a favor de las cuales no ha habido desplazamiento o ha sido muy pequeño. Afectan a cualquier tipo de roca. Atendiendo a su origen se distinguen varios tipos:

Diaclasas de origen tectónico asociados a plegamientos y a fallas, en el primer caso presentan una disposición característica como se ve en la figura. Las diaclasas asociadas a fallas se disponen paralelamente a la superficie de falla o con una frecuencia que disminuye al aumentar la distancia a l misma.

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Carrera de Construcciones CivilesDiaclasas en rocas ígneas formadas por contracción durante o después del emplazamiento del cuerpo ígneo. Presenta una disposición característica en tres familias ortogonales entre si. Un ejemplo de juntas de contracción por enfriamiento corresponde a las que se forman en las lavas basálticas, dando lugar a la disyunción columnarDiaclasas de relajación debidas a una reducción de la carga litostatica. Se disponen subparalelamente a la superficie topográfica y su frecuencia disminuye en profundidad.

Los planos de estratificación son las superficies que limitan los estratos de las rocas sedimentarias. Se trata de discontinuidades sistemáticas con una continuidad elevada, y cuyo espaciado oscila generalmente entre unos pocos centímetros y varios metros.Las superficies de laminación son discontinuidades sistemáticas que aparecen en las rocas sedimentarias, correspondiendo a los planos que limitan las laminas o los niveles megascopicos mas pequeños de una secuencia sedimentaria, estas superficies adquieren mayor importancia en las rocas de grano fino, y se caracterizan pòr espaciado muy reducido, de orden milimétrico o centimetrico.Los planos de esquistosidad, de origen tectónico, aparecen en rocas que han sufrido una deformación importante, disponiéndose perpendicularmente a la dirección compreciva del máximo acortamiento. Estas discontinuidades sistemáticas se desarrollan mejor cuanto mas pequeño es el grano de la roca, presentan una frecuencia alta y espaciados de orden milimétrico.Las superficies de contacto litológico son planos singulares de separación entre diferentes litologías de un macizo rocoso. En el caso de las rocas sedimentarias tienen menor significación con respecto al comportamiento del macizo en su conjunto, incluyéndose en las superficies de estratificación. Sin embargo en las rocas ígneas tienen gran importancia sobre todo en el caso de los diques y de las rocas filoneanas.Las fallas son discontinuidades singulares que corresponden a planos de rotura o fracturación con desplazamientos relativos entre los bloques.La extensión de las fallas puede variar entre algunas metros y centenares de kilómetros. Pueden llevar zonas asociadas zonas de debilidad denominadas << zonas de falla>> o brechas, en las que en ocasiones no se puede distinguir un plano neto de rotura.

4.1 Propiedades mecánicas de las discontinuidades.-Un macizo rocoso en la naturaleza presentan comúnmente un elevado numero de discontinuidades. Por ello si se quiere conocer y describir adecuadamente el comportamiento mecánica de los macizos rocosos resulta necesario analizar previamente el comportamiento de discontinuidades naturales.El aspecto principal que condiciona el comportamiento mecánica de una discontinuidad natural, como por ejemplo la que se presenta en la fig A, en un testigo de sondeo o las que se muestran en la figura B, en un afloramiento natural, es su resistencia al corte, aunque también los parámetros de deformación, como la rigidez cortante y la normal y la dilatancia, pueden marcar en parte su comportamiento.

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Carrera de Construcciones CivilesFigura A FOTOGRAFIA DE UNA DISCONTINUIDAD

Figura B FOTOGRAFIA DE UNA DISCONTINUIDAD NATURAL

La resistencia o tracción perpendicular a las paredes de una discontinuidad se puede considerar nula. Los factores principales que intervienen en la reacción de una discontinuidad frente a un esfuerzo cortante son:

Las tensiones normales al plano de corte La rugosidad de las superficies de contacto El grado de alteración y la resistencia de los labios de discontinuidad El espesor y tipo de relleno La circulación de agua y grado de saturación del relleno La orientación del desplazamiento de corte La velocidad del movimiento cortante La amplitud del desplazamiento de corte y la existencia de desplazamiento cortantes.

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Carrera de Construcciones Civiles5. PROPIEDADES FÍSICASDE LA ROCA :

A titulo orientativo en la tabla siguiente se indican los valores correspondientes a las propiedades físicas y mecánicas por lo que se recomienda el asesoramiento de un especialista en mecánica de rocas para casos que sean muy específicos.

CUALIDADES FISICAS, MECANICAS Y APLICACIONES DE ROCASROCAS Absorción

% en pesoPeso

especificoKg/m3

Desgaste

(Deval)

Dureza(Dorry)

Tenacidad(Page)

CompresiónKg/cm2

FlexionKg/cm2

Modulo Elasticida

dKg/cm2

Aplicaciones

1 Granito 0,035-0,28 2,63-2,80 1,8-6,6 18-20 8-27 400-3200 Construcción de carreteras, obras hidráulicas y edificios, balasto mampostería y sillares, revestimientos

2Granodiorit a Sienita

0,018-0,1 2,69-2,83 1,6-4 18-20 9-27 600-2000

3 Diorita 0,002-0,1 2,70-2,82 1,7-3 18-19 11-34 500-2000

4 Gabro 0,013-0,1 2,90-3,02 1,7-3 17-19 18-28 1000-2500

5Peridotita-Olivina-Piroxonita Hornblendita

100a

400

600.000a

1.200.000

Poca importancia constructiva.

6Porfido cuarcífero, liparita

0,045-0,35 2,51-2,66 2-3 19-20 12-30 1000-2000 Balasto, carretera y piedras de labra.

7 Traquita Escalones, cordones y análogos.

8Porfidita Andesita, Dacita

0,036-0,1 2,55-2,68 1,8-4 19-20 12-30 1000-2200 Carreteras, piedras de labra.

9 Diabasa

10 Melafiro 0,041-4 2,40-2,95 2-6 12-20 6-20 500-2500 Carreteras.

11 BasaltoCarreteras, balasto, construcciones hidráulicas y de puertos.

12Picrita Peridotita

Construcciones industriales de poca importancia.

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Carrera de Construcciones Civiles5.1.Isotropía y anisotropíaEstos conceptos se utilizan para calificar el comportamiento de los materiales respecto de las direcciones del espacio. Así, un material es isótropo respecto de una propiedad determinada cuando esa propiedad no varia al variar la dirección en la que se mida la propiedad. En este caso, se dice que la propiedad es escalar. Por el contrario, un material es anisótropo cuando la propiedad varía según la dirección considerada. En este caso, la propiedad es vectorial.5.2. Densidad y peso especificoTanto la densidad como el peso específico son propiedades que no dependen de la dirección de medida, esto es, son propiedades escalaresAunque se utilizan indistintamente, los términos de densidad y peso específico no son idénticos. La densidad es la relación entre la masa y el volumen de la sustancia, midiéndose en unidades de masa/unidades de volumen (e.g., g/cc). El peso específico es la relación numérica entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de agua a 4°C, esto es la relación entre las densidades del cuerpo y la del agua. Esta propiedad es adimensional (no se expresa en términos de unidades determinadas) ya que es la relación entre dos cantidades con la misma dimensión. Dado que el volumen del agua varía con la temperatura, se toma como referencia la densidad del agua a 4°C.Densidad = masa/volumen (gr/cc)Peso específico = Densidad cuerpo/Densidad agua a 4°CEn los minerales, ambas magnitudes son función de la estructura cristalina y la composición del mineral, así como de la temperatura y presión, ya que los cambios de estos factores provocan contracciones (descenso de T y/o aumentos de P) o expansiones (aumento de T y/o descenso de P) de las estructuras. Los cambios de estructura afectan a estas magnitudes; así por ejemplo, la calcita presenta un peso específico de 2.72 y el aragonito 2.94, y el cuarzo- 2.65 y el cuarzo- 2.40. La composición también afecta en el caso de los minerales solución sólida; así por ejemplo, el peso específico del olivino aumenta a medida que los átomos de Fe (más pesados) sustituyen a los de Mg (más ligeros), pasando de 3.22 para el Mg2[SiO4] (forsterita pura) a 4.41 para el Fe2[SiO4] (fayalita pura).Cuando se consideran otro tipo de sustancias (por ejemplo, rocas), la densidad o densidad real se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia, esto es la razón entre la masa en reposo y su volumen, considerando sólo la parte impermeable (esto es, excluyendo el volumen ocupado por los poros):

donde: 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.

La densidad de algunos materiales de construcción se presenta en la Tabla 1.

La densidad global (a veces también denominada densidad aparente) es la masa por unidad de volumen de un material en su estado natural, incluyendo poros y todo tipo de espacios abiertos:

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Tabla 1. Densidad (kg/m3) de algunos materiales de construcción (de Komar, 1987).Acero 7800-7900Cemento Portland 2900-3100Granito 2700-2800Arena cuarzosa 2600-2700Ladrillo 2500-2800Vidrio 2500-3000Caliza 2400-2600Madera 1500-1600

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donde: o es la densidad global del material (kg/m3)M1 es la masa global (kg) del material yV1 es el volumen global (m3) del material.

La densidad global de los materiales depende de su porosidad y contenido de espacios abiertos. Materiales sueltos como arena, piedra molida y cementos se caracterizan por su masa global. El volumen de estos materiales incluye tanto los poros y espacios abiertos existentes dentro de los granos como entre los granos. La densidad global de los materiales condiciona en gran medida sus propiedades fisico-mecánicas, tales como resistencia a la compresión y conductividad térmica, que a su vez son cruciales para cálculo de estructuras y diseño de edificios. Evidentemente, la densidad global de los materiales es fuertemente variable (Tabla 2).El peso específico o peso específico verdadero de una sustancia es la razón entre la masa de una unidad de volumen de la sustancia y la masa de la misma unidad de volumen de agua destilada. Para los sólidos, el volumen considerado es el de la parte impermeable. El peso específico global se define de manera similar, aunque considera el volumen total del cuerpo, incluyendo los poros.

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Tabla 2. Densidad global (kg/m3) y porosidad (%) de rocas y materiales de construcción (de Winkler, 1973 y Komar, 1987)

Densidad global PorosidadAcero 7800-7850Granito 2600-2800 0.15-1.5Gabro 3000-3100 0.1-0.2Riolita 2400-2600 4.0-6.0Basalto 2800-2900 0.1-1.0Arenisca 2000-2600 5.0-25.0Lutita 2000-2400 10.0-30.0Caliza 2200-2600 5.0-20.0Dolomia 2500-2600 1.0-5.0Gneiss 2900-3000 0.5-1.5Mármol 2600-2700 0.5-2.0Cuarcita 2650 0.1-0.5Pizarra 2600-2700 0.1-0.5Hormigón pesado 1800-2500Hormigón ligero 500-1800Ladrillo 1600-1800Arena 1450-1650Plástico poroso 20-100

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Peso específico de materiales de construcción

PESO ESPECIFICO DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓNMaterial Peso específico

aparente Kg/m3

A. RocasArenisca 2.600Arenisca porosa y caliza porosa 2.400Basalto, diorita 3.000Calizas compactas y mármoles 2.800Granito, sienita, diabosa, pérfido 3.800Gneis 3.000Pizarra de tejados 2.800B. Piedras artificialesAdobe 1.600Amiantocemento 2.000Baldosa cerámica 1.800Baldosa de gres 1.900Baldosa hidráulica 2.100Hormigón ordinario 2.200Ladrillo cerámico macizo (0 a 10% de huecos)

1.800

Ladrillo cerámico perforado (20 a 30% de huecos)

1.400

Ladrillo cerámico hueco (40 a 50% de huecos)

1.000

Ladrillo de escorias 1.400Ladrillo silicocalcáreo 1.900C. MaderasMaderas resinosas: Pino, pinabete, abeto

600Pino tea, pino melis 800Maderas frondosas: Castaño, roble, nogal

800

D. MetalesAcero 7.850Aluminio 2.700Bronce 8.500Cobre 8.900Estaño 7.400Latón 8.500Plomo 11.400Zinc 7.200E. Materiales diversosAlquitrán 1.200Asfalto 1.300Caucho en plancha 1.700Linóleo en plancha 1.200Papel 1.100Plástico en plancha 2.100Vidrio plano 2.600

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Carrera de Construcciones CivilesEnsayos de laboratorio¤ Determinación del peso específicoEl peso específico es una propiedad escalar que depende de la composición química y de la estructura. La determinación del peso específico se lleva a cabo por diversos métodos, todos los cuales se basan en el principio de Arquímedes (balanza hidrostática, picnómetro, etc.).El peso específico de un mineral aumenta con el número de masa de los elementos que la constituyen y con la proximidad o el apretamiento en que estén arreglados en la estructura cristalina.La mayoría de los minerales que forman rocas tienen un peso especifico de alrededor de 2,7 g/cm3, aunque el peso especifico medio de los minerales metálicos es aproximadamente de 5 g/cm3.

Los minerales pesados son los que tienen un peso especifico más grande que 2,9 g/cm3, por ejemplo circón, pirita, piroxeno, granate.a) Densidad: Es el peso de la unidad de volumen, expresado en kg/dm3 o en g/cm3. En la determinación del volumen, habrá que tener en cuenta si se trata del volumen real(desquitando poros), o del volumen aparente(incluyendo poros).La determinación de la densidad real(Dr) se efectúa:

a) Determinación del peso P de la muestra: Una vez pulverizada la muestra, se deseca en estufa a 110ºC, hasta que se tenga pesada constante.

b) Determinación del volumen real(Vr), por el método del picnómetro:P: Peso de la muestra desecada.P1: Peso del picnómetro enrasado de agua.P2: Peso del picnómetro enrasado de agua y con la muestra en su interior.y la densidad real(Dr) será:

La determinación de la densidad aparente(Da) se efectúa:a)Se denomina el peso P de la muestra desecada.b)El volumen aparente(Va) se halla mediante el método de la balanza hidrostática:P’: Peso de la probeta desecada.Pbh: Peso de la probeta en balanza hidrostática.

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y la densidad aparente(Da) será:b) Porosidad: Es el cociente entre el volumen de los poros y el volumen aparente.

a) Porosidad aparente:b) Porosidad real:c) Huecos abiertos:d) Huecos totales:

c) Compacidad: Es el valor resultante de la relación entre el volumen real de una piedra y su volumen aparente. La compacidad está íntimamente ligada con la porosidad, de tal manera, que cuanto más poroso es un material, menos compacto es.d) Absorción en agua: Es el porcentaje de agua que una roca es capaz de retener, en ciertas condiciones de ensayo, con respecto al peso de esa roca antes de haber efectuado el ensayo. Para la determinación de la absorción:

a) Se pesa el material desecado, dando un peso P.b) Se introduce en agua a 20 +2ºC, durante 24 horas. Posteriormente se pesa y el resultado es P’.

El valor de la absorción es:e) Capilaridad: Propiedad que tiene el agua de subir o bajar por tubos muy estrechos(capilares) debido a la tensión superficial.P: Peso de la probeta desecada.P’: Peso de la probeta desecada más la muestra.S: Sección de la probeta en contacto superficial con agua.t: Tiempo.

6. ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCALA ESTABILIDAD DE TALUDES es la teoría que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construcción de ingeniería civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la geotecnia. La inestabilidad de un talud, se puede producir por un desnivel, que tiene lugar por diversas razones

POSIBLES RAZONESO Razones geológicas: laderas posiblemente inestables, orografía acusada, estratificación,

meteorización, etc. O Variación del nivel freático: situaciones estacionales, u obras realizadas por el hombre.

Obras de ingeniería: rellenos o excavaciones tanto de obra civil, como de minería.Los taludes además serán estables dependiendo de la resistencia del material del que estén compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta.

O TIPOS DE INESTABILIDAD O DESPRENDIMIENTOS O DESPLOMES O Desprendimientos o desplomes son movimientos de inestabilidad producidos por falta de apoyo,

englobando a una escasa cantidad de terreno. Suele tratarse de rocas que caen por una ladera, debido a la pérdida del apoyo que las sustentaba. Entre los desprendimientos o desplomes, se puede incluir el caso del desplome de una columna rocosa en un acantilado, debido a la erosión en la base del mismo. pueden ser ocasionados por la naturaleza o por la humanidad

O CORRIMIENTOS O Son movimientos que afectan a una gran cantidad de masa de terreno. Un tipo particular de

corrimiento de tierra son los deslizamientos, que se producen cuando una gran masa de terreno o zona inestable, desliza con respecto a una zona estable, a través de una superficie o franja de terreno de pequeño espesor. Los deslizamientos se producen cuando en la franja se alcanza la tensión tangencial máxima en todos sus puntos. Estos tipos de corrimiento son ingenierilmente evitables

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Carrera de Construcciones CivilesO CORRIMIENTOS NO EVITABLES O Un flujo de arcilla se produce en zonas muy lluviosas afectando a zonas muy grandes. Los terrenos

arcillosos, al entrar en contacto con el agua, se comportan como si alcanzasen el límite líquido, y se mueven de manera más lenta que los deslizamientos. Se da en pequeñas pendientes, pero en gran cantidad.

O Licuefacción: se da en zonas de arenas limosas saturadas, o en arenas muy finas redondeadas (loess). Debido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan, las presiones intersticiales son tan elevadas que un seísmo, o una carga dinámica, o la elevación del nivel freático, pueden aumentarlas, llegando a anular las tensiones efectivas. Esto motiva que las tensiones tangenciales se anulen, comportándose el terreno como un «pseudolíquido». Se produce, entre otros terrenos, en rellenos mineros.

O Reptación: movimiento muy lento que se da en capas superiores de laderas arcillosas, de en torno a 50 centímetros de espesor. Está relacionado con procesos de variación de humedad estacionales. Se manifiestan en forma de pequeñas ondulaciones, y suelen ser signo de una posible futura inestabilidad generalizada.

O ANÁLISIS CINEMÁTICO DE TALUDES EN MACIZOS ROCOSOSEn el análisis de taludes en macizos rocosos, se presentan bloques de roca delimitados por un sistema tridimensional de planos de discontinuidad. Se entiende por discontinuidad a todas aquellas estructuras geológicas (fallas, fracturas, diaclasas, estratificación, foliación, etc.) que forman dichos planos, los que comúnmente se conoce como fábrica estructural del macizo rocoso. Normalmente este tipo de discontinuidades son producto del tectonismo a la que fue sujeta la roca en un estado inicial de esfuerzos Dependiendo de la orientación de las discontinuidades se tendrá un patrón de fracturamiento que delimitará los bloques de roca.

O MÉTODOS ANALÍTICOS DE CÁLCULO

O En ingeniería los cálculos buscan estimar el conjunto de fuerzas que actúa sobre la porción de tierra. Si las fuerzas disponibles para resistir el movimiento son mayores que las fuerzas que desequilibran el talud entonces se considerará estable. El factor de seguridad es el cociente entre ambas y tiene que se mayor que 1 para considerar el talud estable:

O En caso de terremoto, infiltración de agua, obras descontroladas u otro tipo de causa el equilibrio puede romperse, las fuerzas desequilibradoras ser mayores de las estimadas y producir finalmente la rotura. Para calcular las fuerzas se pueden emplear los siguientes métodos.

O MÉTODO DE LAS REBANADAS O El método de las rebanadas es un método para analizar la estabilidad de un talud en dos dimensiones.

La masa que se desliza por encima de la fractura se divide en gran número de rebanadas. Las fuerzas actuando en cada rebanada se obtienen de considerar el equilibrio mecánico de cada una.

O MÉTODO DE BISHOPO El método modificado (o simplificado) de Bishop[1] es una extensión del método de las rebanadas. En

este método se realizan varias suposiciones que permiten hacer cálculos más fáciles: Las fuerzas en las caras de cada rebanada son horizontales. Se ha comprobado que este método genera factores de seguridad desviados un pequeño porcentaje de los valores "correctos"

ESTUDIOS DE ESTABILIDAD DE TALUDESO Los estudios tienen como objetivo caracterizar la estructura geológica-geotécnica de la zona, valorar la

estabilidad de los taludes existentes, y establecer aquellas medidas de prevención y/o corrección pertinentes para garantizar la estabilidad.

O METODOLOGIA

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Carrera de Construcciones CivilesO Recopilación y análisis de la documentación técnica existente: sondeos, estudios geotécnicos,

cartografías, estaciones geomecánicas, etc... O Caracterización geológica - geotécnica del talud: Los parámetros geotécnicos del terreno, necesarios

para la realización de los cálculos de estabilidad. O Estabilidad ante ruptura circula, caída de bloques, cuñas, etcètera. Análisis de la estabilidad de los

taludes excavados mediante modelización informática del talud con métodos de cálculo de estados límites.

O Se analiza el factor de seguridad por una ruptura circular tipo suelo o caídas de bloques para tipo de macizos rocosos. Se comprueban diferentes situaciones del nivel de agua, parámetros externos y otros factores.Alteración y degradación del talud: Control de la erosión hídrica y medidas de desagüe.

O Propuesta de soluciones de estabilización, factores de seguridad, etc...Cada estudio es redactado y seguido desde el inicio hasta la entrega de manera personalizada por uno de los geólogos del equipo de SONDGEA, S.L.P., con el objetivo de mejorar la calidad del trabajo realizado.

7. OBRAS SUBTERRANEAS EN MACIZOS ROCOSOS

APLICACIÓN DE LA MECANICA DE ROCASEN EL DISEÑO DE TUNELESLa estabilidad de túneles ha sido un tema de mucha importancia en la era de los ferrocarriles, tanto en la minería como en el transporte público, recobrando su relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce de ríos por debajo, e incluso creando túneles Falsos en las ciudades para aliviar el tráfico vehicular.También podemos mencionar a Galerías y Cavernas que no es otra cosa que túneles pequeños en secciones menores a 3 m de radio en la bóveda, que son utilizados mayormente en la Hidráulica o con fines exploratorios.Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico – Geotécnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega un papel fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseño con los elementos necesarios para el sostenimiento del túnel en función a la altura de carga (zona de aflojamiento) después de la excavación, con estos datos ya se podría estimar el costo de la obra tunelera lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad de esta alternativa.En los Túneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad son controlados por el grado de alteración y por las anisotropías existentes en el macizo, tales como la estratificación, juntas, fallas, cuya relación con los mecanismos de inestabilización es regida por los siguientes factores:• Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición (rumbo y buzamiento) con la dirección del túnel. Siendo este él más importante a considerarse en el trazo de entrada y salida del túnel• Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades• Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.• Rotura y movimientos anteriores.

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