mecanica de rocas

MECANICA DE ROCAS

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:

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

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

3)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.

FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1. La Litología y propiedades de la matriz

rocosa.

2. La estructura geológica y las

discontinuidades.

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

4. El grado de alteración o meteorización.

5. Las condiciones Hidrogeológicas.

METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS

1.PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO

a) Formación de hielo

b) Insolación

c) Formación de sales

d) Hidratación

e) Capilaridad

2.PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN QUÍMICO

a)Disolución

b)Hidratación

c)Hidrólisis

d)Oxidación y Reducción

METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS

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:

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

2)Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.

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

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

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

6)Es un agente erosivo

7)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 deaflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde elaflojamiento de la roca será muy rápido.

La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influyesignificativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.

CLASIFICACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS

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

CLASIFICACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1) Propiedades de la matriz rocosa.

2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:

- El grado de fracturación (índice RQD)

- El tamaño y la forma del macizo.

- Sus propiedades hidrogeológicas.

3) Grado de Meteorización o Alteración.

4) Estado de Tensiones In Situ

5) 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.

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.

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 INTACTAHASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.

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 estructuralesdentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

ANISOTROPIA

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.

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.

FALLAS

Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

ZONAS DE CORTE

También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa

DIACLASAS

PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD

Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

CONTACTOS LITOLOGICOS

Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

VENILLAS

Son rellenos de las fracturas con otros materiales

PLIEGUESSon estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados

DIQUESSon intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales.

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 grupode 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.

ORIENTACION

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 cuantomás espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

ESPACIADO

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.

PERSISTENCIA

PERSISTENCIA

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 masarocosa será más competente

RUGOSIDAD

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.

APERTURA

APERTURA

RELLENO

Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa esmenos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

RELLENO

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

REPRESENTACION 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.

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.

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

CLASIFICACION GEOMECANICA 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 efectuados en las paredes de las labores mineras o en

EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI

1.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.

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 lalongitud total del taladro.

2.El RQD (Rock Quality Designation)

TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA

3.El espaciamiento de las discontinuidades.

4.La condición de las discontinuidades, referidas en este caso a la persistencia,

apertura, rugosidad, relleno y meteorización.

5.La presencia de agua.

PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA

PROPIEDADES FISICAS

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.

1.Composición Mineralógica2.Fábrica, textura3.Porosidad4.Peso Específico5.Contenido de humedad6.Permeabilidad7.Durabilidad (Alterabilidad)

PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES

PROPIEDADES MECANICAS

1.Resistencia a la Compresión Simple

2.Resistencia a la tracción

3.Velocidad de propagación de las ondas elásticas

4.Resistencia

5.Deformabilidad

En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influyen además las Características Geológicas:

1) Litológicas

2) Estratigrafía

3) Estructura Geológica

4) Discontinuidades tectónicas o Diagénicas

5) Estados de esfuerzos In Situ

ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES

La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, ladirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgoestructural dominante de la masa rocosa.

Minar en la dirección preferencial deavance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de laexcavación. 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.

ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal dediscontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, lascondiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por eldebilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estasestructuras 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 constantepreocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una fallageológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre lafalla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puedeocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hastaestallido 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 siendorecomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino quela excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicularal eje de la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidadespermitirán 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 deestabilidad de las excavaciones.

En general, las labores cuyo avance esperpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones deestabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las másdesfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de losflujos de agua y de los esfuerzos.

Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles ygalerías 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.