INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATEPEC

“RESUMEN DE LA UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS”

MECÁNICA DE ROCAS

(INGENIERÍA CIVIL)

CATEDRÁTICO. ING. SAMUEL LEÓN LÓPEZ

ALUMNA. TAPIA DÍAZ JESSICA 13090084

GRUPO NA

SEPTIMO SEMESTRE

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATEPEC MECÁNICA DE ROCAS

ÍNDICE.

1. Definición de mecánica de rocas Pág. 3

2. Clasificación de rocas de acuerdo a la geología Pág. 4

3. Definir los componentes de las masas rocosas Pág. 8

Matriz rocosa

Discontinuidad

Macizo rocoso

4. Aspectos que definan el comportamiento de los macizos rocosos Pág. 10

Litología

Meteorización

Tensiones naturales

5. Diferencia entre roca y suelo Pág. 11

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1. DEFINICIÓN, FINALIDAD Y ÁMBITOS DE ESTUDIO.

La mecánica de rocas se ocupa 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. El desarrollo de la mecánica de rocas se inició como consecuencia de la utilización del medio geológico para obras superficiales y subterráneas y explotación de recursos mineros. Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se pueden agrupar en aquellos en que el material rocoso constituye la estructura (excavación de túneles, galerías, taludes, etc.), aquellos en que la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.) y aquellos en los que las rocas se emplean como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.).

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 (Figura 1).

Figura 1. Macizo rocoso. Bloques de arenisca de Buntsandstein independizados por

discontinuidades.

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

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2. CLASIFICACIÓN DE ROCAS DE ACUERDO A LA GEOLOGÍA.

ROCAS SEDIMENTARIAS

Rocas originadas por el trasporte y deposición de materiales como consecuencia de la acción del viento, el agua, el hielo o depositadas químicamente a partir de un fluido acuoso. También se incluyen en esta definición la acumulación de materiales inorgánicos como caparazones secretados por organismos. Las rocas sedimentarias se dividen a su vez en detríticas y no detríticas.

Rocas sedimentarias detríticas

Son las formadas a partir de la sedimentación de fragmentos de otras rocas después de una fase de transporte. La clasificación de estas rocas se basa en los tamaños y la forma de los fragmentos que las componen.

Así las rocas con fragmentos grandes (mayores de 2mm) y redondeados son los conglomerados, mientras que si son angulosos se llaman brechas. Cuando los fragmentos están sueltos son sedimentos que se denominan gravas. Las areniscas poseen granos de tamaño intermedio (entre 0.06 y 2 mm) visibles a simple vista o con microscopio óptico y los limos y arcillas presentan un tamaño de grano muy pequeño (inferiores a 0.06 mm), sólo visibles con microscopios electrónicos. (Figura. 2).

Figura. 2 “Rocas sedimentarias detríticas”

Rocas sedimentarías no detríticas

Son formadas a partir de la precipitación de determinados compuestos químicos en soluciones acuosas o bien por acumulación de substancias de origen orgánico. Un tipo muy común es la roca caliza, formada en su mayor parte por la precipitación de carbonato cálcico o por la acumulación de fragmentos esqueléticos (corales, gasterópodos, ostrácodos, etc.). En estas rocas es frecuente observar la presencia de estos restos que constituyen los fósiles. Una variedad de caliza es la toba calcárea, muy porosa y con abundantes restos vegetales que se origina en los ríos

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cuando el carbonato de calcio precipita sobre la vegetación. Las dolomías es otro tipo de roca que se diferencia de la anterior por tener en su composición química, además de carbonato y calcio, un porcentaje alto de magnesio. Cuando se produce la acumulación de restos de caparazones de organismos que construyen sus caparazones con sílice, como son las diatomeas, o por precipitación de la sílice que lleva el agua, se genera el sílex (Figura. 3)

Figura. 3 “Rocas sedimentarias no detríticas”

ROCAS ÍGNEAS

Son rocas generadas por el enfriamiento de una masa líquida de composición silicatada que procede del interior de la Tierra. Esta masa fundida se encuentra a altas temperaturas. Cuando se enfría y solidifica durante su ascenso hacia la superficie de la Tierra, en zonas cercanas a la superficie (corteza terrestre) da lugar a las rocas plutónicas, mientras que cuando se enfría y solidifica en la superficie da lugar a las rocas volcánicas.

Rocas plutónicas

Las rocas plutónicas se originan bajo la superficie terrestre y por tanto, al estar sometidas a grandes presiones, sus minerales crecen muy unidos, formando rocas densas no porosas. Su enfriamiento es muy lento por lo que los cristales de los minerales que las forman pueden ser relativamente grandes. En algunas ocasiones se pueden apreciar a simple vista. Los granitos son las rocas plutónicas más comunes. Están compuestos por una mezcla de los minerales cuarzo, feldespato y mica. El gabro es otra roca plutónica común, se reconoce por la ausencia de cuarzo y sus tonos oscuros. (Figura. 4)

Figura. 4 “Rocas plutonicas”

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Rocas volcánicas

Se originan cuando los magmas salen al exterior de la superficie de la Tierra, dando lugar a la lava de los volcanes, y se enfrían en la superficie terrestre a temperaturas y presiones bajas. El resultado son rocas constituidas por una masa de cristales de pequeño tamaño o bien materia amorfa sin cristalizar (vidrio). En ocasiones se pueden distinguir algunos minerales rodeados de una masa microcristalina o amorfa.

Es común clasificar las rocas volcánicas en función de su composición química. Una roca muy frecuente y fácil de reconocer por sus tonos oscuros es el basalto. La riolita, por el contrario, presenta tonos claros (Figura. 5).

Figura. 5 “Rocas volcánicas”

Rocas metamórficas

Las rocas metamórficas se generan a partir de rocas preexistentes que, como consecuencia de sufrir un aumento importante de temperatura y de presión por procesos geológicos (enterramiento, intrusión de magmas, etc.), sufren reajustes. Este reajuste ocasiona cambios en sus minerales y composición química de forma que la roca original (sedimentaria, ígnea o metamórfica) se transforma en un nuevo tipo que llamamos roca metamórfica. El proceso metamórfico se realiza en estado sólido, es decir, las transformaciones se producen sin que la roca llegue a fundirse. La mayoría de las rocas metamórficas se caracterizan por un aplastamiento general de sus minerales que hace que aparezcan orientados de forma plana dando lugar a una laminación de la roca. Este fenómeno se denomina foliación (Figura.6).

Figura.6 “Rocas metamórficas”

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EJEMPLOS DE ROCAS SEGÚN SU CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA

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3. DEFINIR LOS COMPONENTES DE LAS MASAS ROCOSAS

Matriz rocosa

Es el material rocoso exento de discontinuidades, o los 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 (Figura. 7).

Figura. 7 “Matriz rocosa”

Discontinuidad

Es cualquier plano de origen mecánico o sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en 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 (Figura. 8).

Figura. 8 “Propiedades de las discontinuidades”

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Macizo rocoso

Es el conjunto de los bloques 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 puede considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula (Figura. 9).

Anisotropía: la presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familias de diadas as 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. • Discontinuidad: la presencia de discontinuidades (superficies de estratificación, juntas, fallas, diques, etc.) rompe la continuidad de las propiedades mecánicas de los bloques rocosos, confiriendo al macizo un comportamiento geomecánico e hidráulico discontinuo, condicionado por la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad.

Heterogeneidad: las zonas con diferente fitología, grado de alteración o meteorización, contenido en agua, etc., pueden presentar propiedades muy diferentes. Las discontinuidades y los bloques de matriz constituyen en conjunto la estructura rocosa, y gobiernan el comportamiento global del macizo rocoso, predominando uno u otro componente en función de sus propiedades relativas y de la escala o ámbito de estudio en el macizo. Además de las propiedades intrínsecas del macizo rocoso asociadas a las características de la matriz rocosa y de las discontinuidades, que definen en gran parte su resistencia, existen otros factores que afectan a su comportamiento mecánico, como son:

Estructuras tectónicas y sedimentarias no discontinuas en el macizo rocoso (por ejemplo los pliegues).

Las tensiones naturales a que está sometido (estado tensional in situ). Las condiciones hidrogeológicas y los factores geoambientales.

Figura. 9 “Macizo rocoso de California”

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4. ASPECTOS QUE DEFINAN EL COMPORTAMIENTO DE LOS MACIZOS ROCOSOS

Litología

Es la parte de la geología que estudia la composición y estructura de las rocas, como su tamaño de grano, características físicas y químicas, estructuras sedimentarias, etc. Incluye también su composición, su textura, tipo de transporte así como su composición mineralógica, distribución espacial y material cementante.

Meteorización

Es la 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 pueden 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.

Tensiones naturales

El conocimiento de las tensiones y las 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 depende de las propiedades de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.

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 las estructuras. Por ello, es importante conocer el estado de tensiones previo y evaluar su influencia sobre las obras.

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5. DIFERENCIA ENTRE ROCA Y SUELO

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 sirven para su clasificación geológica.

Los suelos, según su acepción en ingeniería geológica, son agregados naturales de granos minerales unidos por fuerzas de contactos normales y tangenciales a las superficies de las partículas adyacentes, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en 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 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.

En cuanto a las propiedades físicas y mecánicas, algunas de las principales características diferenciales de las rocas son:

— Generación de mecanismos y superficies de fractura en los procesos de deformación.

— Módulos de deformación altos en comparación con los suelos.

— Baja permeabilidad en comparación con los suelos.

Con respecto a sus condiciones y características in situ, a diferencia de los suelos, los macizos rocosos están afectados por juntas tectónicas y otros planos de debilidad, y están sometidos a tensiones naturales relacionadas con esfuerzos tectónicos, mientras que los suelos están sujetos a estados de esfuerzos in situ relativamente bajos debidos a las fuerzas litostaticas.

Un criterio ampliamente extendido en ingeniería geológica para el establecimiento de los límites entre suelo y roca es el valor de la resistencia a compresión simple, o máximo esfuerzo que soporta una probeta antes de romper al ser cargada axialmente en laboratorio.

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En la zona de transición se encontrarían los denominados suelos duros y rocas blandas. Los limites sugeridos por diferentes clasificaciones y autores han ido rebajándose hasta 1 o 1,25 MPa debido a que algunas rocas muy blandas presentan resistencias de este orden, valor que actualmente se considera adecuado.

En la siguiente imagen se aprecia la diferencia entre un suelo y una roca madre:

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