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TEMA DE MECÁNICA DE ROCAS TEMA: MECÁNICA DE ROCAS 0. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS  MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO 1. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS  CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS EN INGENIERÍA GEOTÉCNICA  CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS  PROCESOS...

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TEMA DE MECÁNICA DE ROCAS Jesús Velasco

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CARACT ERIZACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS Hugo Marquez

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TEMA DE MECÁNICA DE ROCAS

TEMA: MECÁNICA DE ROCAS 0. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS 

MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO

1. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS 

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CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS EN INGENIERÍA GEOTÉCNICA CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS EL AGUA SUBTERRÁNEA Y LOS MACIZOS ROCOSOS

2. DISCONTINUIDADES EN LOS MACIZOS ROCOSOS 

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CARACTERÍSTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES DISCONTINUIDADES CON RELLENO

3. RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOS 

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CRITERIOS DE ROTURA PARA MACIZOS ROCOSOS ISÓTROPOS ENSAYOS IN SITU PARA MEDIR LA DEFORMABILIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOS METODOS GEOFÍSICOS DE MEDIDA DE LA DEFORMABILIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOS

4. LAS TENSIONES NATURALES DE LA ROCA 5. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE ROCAS 

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CLASIFICACIÓN RMR DE BIENIAWSKI CLASIFICACIÓN DE BARTON CORRELACIÓN ENTRE EL RMR DE BIENIAWSKI Y LA Q DE BARTON CLASIFICACIÓN DE HOEK Y BROWN (GSI) CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE ROMANA ( SMR )

0. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS 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 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.

Macizo rocoso. Bloques de arenisca del Buntsandstein La caracterización de las rocas y de los macizos rocosos y el estudio de su comportamiento mecánico y deformacional son complejos debido a la gran variabilidad de características y propiedades que presentan y al elevado número de factores que los condicionan. 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.

Alternancia de materiales calizos y falla. Cala Moraig (Alicante)

TRANSICIÓN ROCA-SUELO Los suelos se originan por los procesos de alteración y disgregación de las roca sedimentarias, igneas o metamórficas a que dan lugar los procesos geológicos externos y los fenómenos climáticos. Se forman suelos residuales cuando el producto de descomposición de la roca permanece en el lugar de origen, o suelos transportados 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 transportados, comprenden las siguientes etapas: 

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Disgregación y removilización de las partículas por alteración y meteorización de la roca madre. Transporte del material por agentes con ciertos niveles de energía. Acumulación del material en zonas de bajo nivel energético, iniciándose los procesos de sedimentación controlados por las características mecánicas, físico-químicas y biológicas del ambiente. Transformación mediante diagénesis en un nuevo material coherente y compacto, con disminución de la porosidad, aportes de nuevas sustancias y cambio mineralógicos.

El ciclo del proceso sedimentario se cierra cuando se produce la transformación de los suelos en rocas sedimentarias (Litificación).

MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO 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. Una 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. 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 anisótropos, discontinuos y heterogéneos. Prácticamente puede considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula. 

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Anisotropía: la presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familias 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. 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 litología, 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.

Macizo rocoso meteorizado Las masas rocosas se presentan en la naturaleza afectadas por una serie de planos de discontinuidad o debilidad que separan bloques de matriz rocosa, formando los macizos rocosos. Para el estudio del

comportamiento mecánico del macizo rocoso deben estudiarse las propiedades tanto de la matriz como de las discontinuidades.

Macizo rocoso no meteorizado. Afectado por sendas fallas conjugadas. Serra Grossa ( Alicante )

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 la resistencia de un macizo rocoso estratificado puede variar drásticamente para las direcciones paralela y perpendicular a la orientación de los planos de estratificación. Otra característica de los macizos rocosos es su heterogeneidad o variabilidad de propiedades físicas y mecánicas en distintas zonas del macizo rocoso. Al realizar obras sobre el terreno, como excavaciones o cimentaciones, se modifican las condiciones iniciales y las fuerzas que actúan sobre los macizos rocoso tanto las internas, debidas al propio peso o a las propiedades intrínsecas de lo materiales como las fuerzas externas: aparecen presiones intersticiales por modificación del flujo y de los niveles freáticos, se aplican cargas adicionales, etc. Estas modificaciones en el estado tensional, junto con las características y propiedades resistentes y deformacionales de los materiales rocosos, controlan la respuesta mecánica y los modelos de deformación y rotura. Los factores geológicos que dominan el comportamiento y las propiedades mecánicas de los macizos rocosos son:  La litología y propiedades de la matriz rocosa.

 La estructura geológica y las discontinuidades.  El estado de e fuerzas a que está sometido el material.

 El grado de alteración o meteorización.  Las condiciones hidrogeológicas. El tipo de roca y un grado de alteración determinan las propiedades resistente de la matriz roco a. La estructura geológica del macizo rocoso define zonas y planos de debilidad, concentración de tensiones, zonas proclives a la meteorización, caminos de flujo de agua, etc. Los esfuerzos que actúan sobre las rocas determinan los modelos de deformación y el comportamiento mecánico del conjunto del macizo; el estado de esfuerzos es consecuencia de la historia geológica. Un aspecto importante en el estudio de los macizos rocosos es la influencia de los procesos de alteración o meteorización sobre algunos tipos de rocas poco resistentes como las margas, lutitas, pizarras arcillosas, etc., cuyas propiedades varían considerablemente con el paso del tiempo ante su exposición a las condiciones atmosféricas o a la acción del agua, o debido al cambio en el estado de esfuerzos, factores que suelen ir asociados.

Detalle de FALLA GEOLÓGICA

1. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS Las propiedades físicas de las rocas son el resultado de su composición mineralógica, fábrica e historia geológica, deformacional y ambiental, incluyendo los procesos de alteración y meteorización. La gran variabilidad de estas propiedades se refleja en comportamientos mecánicos diferentes frente a las fuerzas que se aplican sobre las rocas comportamientos que quedan definidos por la resistencia del material y por su modelo de deformación. Serán por tanto las propiedades físicas de las rocas las que determinen su comportamiento mecánico, como se ilustra en las figuras de este recuadro. La cuantificación de estas propiedades se lleva a cabo mediante técnica específicas y ensayos de laboratorio En las propiedades y en el comportamiento mecánico de los macizos rocosos competentes influye el grado de fracturación y de meteorización, la presencia de agua, la orientación y tipo de discontinuidades, el tamaño de los bloques, etc. La importancia de las discontinuidades, como son los planos de estratificación, diaclasas, fallas, etc., será también relativa en función de la escala de trabajo: si el efecto de las discontinuidades sobre el comportamiento del macizo no es importante, o si es pequeño con respecto a la escala de la obra o estructura considerada, el medio puede ser considerado continuo, pero si las dimensiones de los planos o zonas de debilidad afectan al comportamiento del macizo en el ámbito considerado. su estudio debe ser abordado por separado.

Propiedades de la matriz rocosa y métodos para su determinación

Las propiedades físicas o propiedades índice de las rocas se determinan en laboratorio; las más importantes a nivel de influencia en el comportamiento mecánico son la porosidad, el peso específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagación de las ondas sónicas. Algunas de estas propiedades, además de servir para su clasificación, están directamente relacionadas con las características resistentes y deformacionales de las rocas.

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POROSIDAD (n)

La porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los huecos o poro en la roca, Vv, y el volumen total V (partículas sólidas+ huecos): n(%) = Vv/ V. Es la propiedad que más afecta a las características resistentes y mecánicas, siendo inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad y directamente proporcional a la deformabilidad, ya que la existencia de huecos puede dar lugar a zonas de debilidad. El valor de n puede variar entre el 0% y el 90 %, con valores normales entre 10% y 30 %. La porosidad eficaz (Ne) es la relación entre el volumen de poros interconectados y el volumen de la muestra. Puede obtenerse a partir de los pesos seco y saturado de la muestra:

Ne = ( Wsat – W seco) / (g w V) En las rocas es frecuente que los poros no estén interconectados, por lo que la porosidad real será mayor que la eficaz. El índice de poros (e) se define como la relación entre el volumen ocupado por los huecos, Vv y el volumen ocupado por las partículas sólidas,Vsol e = Vv/Vsol •

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PESO ESPECÍFIO (γ)

El peso específico o peso unitario de la roca depende de sus componentes, y se define como el peso por unidad de volumen. Sus unidades son las de fuerza (kilopondio, newton, tonelada-fuerza, etc.) por volumen. En general se considera el mismo valor para el peso específico, volumen),

g,

y para la densidad, σ (σ = masa/

gw = 9,81kN/m3 Las rocas. a diferencia de los suelos, presentan una gran variación de valores de peso específico Valores más frecuentes de

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g: 2,5 a 2,8. Valores extremos: 1,7 – 3,1

PERMEABILIDAD (γ)

La permeabilidad es la capacidad de transmitir agua de una roca. La mayoría de las rocas presentan permeabilidades bajas o muy bajas. La filtración y el flujo del agua a través de la matriz rocosa se produce a favor de los poros y fisuras, dependiendo la permeabilidad de la interconexión entre ellos y de otros factores como el grado de meteorización, la anisotropía o el estado de esfuerzos a que está sometido el material. La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad o de conductividad hidráulica, k, que se expresa en m/s, cm/s ó m/día:

k = K (gw/m)

donde

gw 

K es la permeabilidad intrínseca (dependiente únicamente de las características del medio físico),

es el peso específico del agua y m es la viscosidad del agua

LA DURABILIDAD

La durabilidad es la resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración, propiedad a la que también se alude como alterabilidad, definiéndose en este caso como la tendencia a la rotura de los componentes o de las estructuras de la roca. La durabilidad de la roca aumenta con la densidad y se reduce con el contenido en agua. La durabilidad se evalúa mediante el ensayo de sequedad-humedad-desmoronamiento. o slake durability test (SDT), que consiste en someter al material, previamente fragmentado, a ciclos estándar de humedadsequedad-desmoronamiento de 10 minutos de duración en el laboratorio

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LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE

La resistencia a compresión simple o resistencia uniaxial es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinada sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio, y viene dada por: El valor de la resistencia aporta información sobre las propiedades ingenieriles de las rocas

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LA RESISTENCIA A TRACCIÓN

La resistencia a tracción es el máximo esfuerzo que soporta el material ante la rotura por tracción. Se obtiene aplicando fuerzas traccionales o distensivas a una probeta cilíndrica de roca en laboratorio

El valor de (J, de la matriz rocosa suele variar entre el 5 y el 10 % del valor de su resistencia a compresión simple, aunque para algunas rocas sedimentarias es del 14 al 16%

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LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELÁSTICAS

La velocidad de propagación de las ondas elásticas al atravesar la roca depende de la densidad y de las propiedades elásticas del material, y su medida aporta información sobre algunas características como la porosidad. Para las rocas sanas esta velocidad varía entre 1.000 y 6.000 m/s. Para rocas alteradas y meteorizadas se obtienen valores por debajo de 900 m/s.

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS EN INGENIERÍA GEOTÉCNICA La clasificación de las rocas para usos ingenieriles es una tarea compleja, ya que deben cuantificarse sus propiedades con el fin de emplearlas en los cálculos de diseño. Así, los términos cualitativos de roca dura o resistente, blanda o débil deben acotarse mediante determinados valores de su resistencia a compresión simple: 500 a 1.000 kp/cm2 para una roca dura y 50 a 250 kp/cm2 para una roca blanda. La dificultad para la clasificación geotécnica estriba tanto en el hecho de la alta variabilidad de las propiedades rocosas como en las limitaciones de los métodos y procedimientos para su determinación. 

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La resistencia a compresión simple es la propiedad más frecuentemente medida en las rocas, y en base a su valor se establecen clasificaciones en mecánica de rocas. El módulo relativo, o relación entre su módulo de elasticidad E y su resistencia a compresión simple, σc, relación que varía en función de la litología. La mayoría presentan un valor del módulo relativo entre 200 y 500. 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 aumenta la porosidad, la permeabilidad y la deformabilidad del material rocoso, y disminuye su resistencia

Clasificación de las rocas basada en el módulo relativo E/σc. Se establecen tres categorías en función del módulo relativo

CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS Las clasificaciones de los macizos rocosos están basadas en alguno o varios de los factores que determinan su comportamiento mecánico: 

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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 hidrogeológicas, etc. Grado de meteorización o alteración. Estado de tensiones in situ. Presencia de agua.

La gran variabilidad de estos factores y el carácter discontinuo y anisótropo de los macizos rocosos implica la dificultad para establecer clasificaciones geotécnicas o geomecánicas generales válidas para los diferentes tipos de macizos. Las clasificaciones más útiles en mecánica de rocas son las denominadas clasificaciones geomecánicas, de las cuales la RMR de Bieniawski y la Q de Barton son las más utilizadas Establecen diferentes 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.

PROCESOS DE METEORIZ ACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS La meteorización es la desintegración y /o descomposición de los materiales geológicos en superficie. El término incluye todas aquellas alteraciones de carácter físico o químico que modifican las características y propiedades de los materiales. Los procesos de meteorización de las rocas dan lugar finalmente a los suelos, que pueden permanecer en su Jugar de origen sobre la roca madre (suelos residuales) o pueden ser transportados como sedimentos; estos últimos pueden litificarse formando nuevamente rocas o permanecer como suelos (suelos transportados: aluviales, eólicos, glaciares, etc.) El grado de meteorización del material rocoso juega un papel muy importante en sus propiedades físicas y mecánicas. Los procesos de meteorización están controlados por las condiciones climáticas y sus variables de temperatura, humedad, precipitaciones, régimen de vientos, etc., que determinan el tipo y la intensidad de las transformaciones físicas y químicas que afectan a los materiales rocosos en superficie. Las acciones de origen físico producen la fracturación mecánica de las rocas. Las más importantes controladas por el clima, en especial por la temperatura y la humedad, son:   

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