MECANICA DE ROCAS La disciplina Mecánica de Rocas estudia las propiedades y comportamiento mecánico de las rocas, con el fin de diseñar y construir con.

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1 MECANICA DE ROCAS La disciplina Mecánica de Rocas estudia las propiedades y comportamiento mecánico de las rocas, con el fin de diseñar y construir con criterios de ingeniería obras temporales (generalmente mineras) u obras permanentes (generalmente civiles), empleando la roca como material estructural. Su finalidad es conocer y predecir el comportamiento de las rocas ante la acción de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellas.

2 En Mecánica de Rocas, el “material de construcción” (masa rocosa) se caracteriza por ser discontinuo, anisotrópico y no estandarizado (a diferencia del concreto, fierro de construcción y/o acero estructural. Los materiales son "isótropos" cuando sus propiedades físicas se mantienen constantes a través de ellos sin cambiar su magnitud, independientemente del ángulo u orientación en el cual se estén midiendo. Como se observa en la FIGURA 1a, los ejes x, y, y z representan las propiedades del cubo, de manera que si se tiene una cantidad de esferas dentro del cubo estas van a tener la misma forma y no varían las propiedades del material. Los modelos isótropos son comúnmente usados para la determinación de las propiedades mecánicas de las rocas. Se asume para un fácil entendimiento y para disminuir la complejidad en los cálculos.FIGURA 1a

3 La anisotropía es la diferencia de las magnitudes de las propiedades físicas cuando son observadas en distintas direcciones de un cuerpo. Estas propiedades pueden ser de resistencia a esfuerzos, de deformación (e.g. módulo de deformación elástica), hidráulicas (e.g. permeabilidad), o de frecuencia de fracturamiento.

4 Las rocas que componen la corteza terrestre son "anisótropos“ y sus propiedades físicas varían de acuerdo con la orientación en la cual se realizan las medidas. Como se observa en la FIGURA 1b, las esferas tienden a alinearse en cierta dirección, de manera que, si por ejemplo, se estuviera midiendo su permeabilidad, el flujo tendría una dirección preferencialmente horizontal.FIGURA 1b Factores que generan anisotropía en las rocas Entre los factores que generan anisotropía en las rocas se encuentra la estratificación, las fracturas, el contenido de arcilla por su estructura laminar, y la foliación.

5 Por ello incluye muchos aspectos como: -Selección geológica y estudio del lugar. -Medición o estimación de los esfuerzos de campo iniciales. -Muestreo y determinación de las propiedades físicas y mecánicas de la masa rocosa. -Diseños fundamentados en: a) Modelos empíricos: basados en la determinación cuantitativa de factores relevantes en el comportamiento mecánico y correlación estadística de casos anteriores. b) Modelos numéricos: basados en principios de la teoría de la elasticidad y en la teoría de la plasticidad.

6 Los ensayos de laboratorio permiten caracterizar al material estructural (masa rocosa) con fines de diseño y construcción. Su aplicación en las obras es: Cuando la roca es soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas etc) Cuando la roca constituye la estructura (excavaciones de túneles, taludes etc) Cuando la roca es material de construcción (material de préstamo, terraplenes, rellenos etc)

7 Minería a cielo abierto Ingeniería civil Minería subterránea

8 Cuando el macizo rocoso es excavado o se construye sobre el, se modifican las condiciones iniciales de este, la respuesta a estos cambios es la deformación o la ruptura o ambos. El conocimiento de las deformaciones y las tensiones que puede llegar a soportar el macizo rocoso en estas nuevas 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 macizos rocosos, el que depende de las propiedades físicas y mecánicas y de las condiciones a los que están sometidos en la naturaleza.

9 Parámetros de la Mecánica de Rocas La deformabilidad de los macizos rocosos Relación entre esfuerzo –deformación La resistencia de los macizos rocosos Condiciones que producen su ruptura Estado del esfuerzo en condiciones iniciales Estado de los esfuerzos que se desarrollan en los macizos en virtud de las solicitaciones aplicadas Problemas estáticos y dinámicos debidos al flujo de agua

10 Aplicaciones de la mecánica de rocas EXCAVACIONES A CIELO ABIERTO Explotación de bancos de roca para ser usados en: Material de mejoramiento Pedraplenes Agregado para hormigón Cortes en vías Extracción de materiales varios EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Explotación de minerales Túneles para vías Túneles para conducción de aguas Casa de máquinas hidroeléctricas

11 Almacenamiento de desperdicios atómicos Para alojar tuberías de presión Almacenamiento de armas CIMENTACIÓN DE PRESAS Torres de tomas de agua Torres de transmisión Edificios Estructuras urbanas Reactores Radares puentes

12 OTRAS APLICACIONES FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO PARA EXPLOTACIÓN DE PETRÓLEO ACTIVACIÓN DE POZOS GEOTÉRMICOS TRATAMIENTO DE MASAS ROCOSAS MEDIANTE INYECCIONES

13 PROPIEDADES FISICAS Controlan las características resistentes y deformacionales de la roca intacta o matriz rocosa, son el resultado de su génesis, de las condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

14 Propiedades físicas índices de las rocas Las propiedades de las rocas son muy variables por su variedad y componentes. Interesa tener una descripción cuantitativa de las rocas con un cierto numero de medidas básicas. Algunas propiedades son fáciles de medir denominadas índices, estos se obtienen mediante ensayos de laboratorio con probetas de roca intacta. Se clasifican las rocas para su uso en ingeniería, relacionadas principalmente con el comportamiento de la matriz rocosa y no para el macizo rocoso.

15 Propiedades índices. Porosidad.- Es la proporción de volumen de vacios con relación al volumen total expresado en porcentaje n(%)=Vp/Vt x 100 Es la propiedad que mas interviene o afecta las características resistentes y mecánicas de las rocas. Es inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad; es directamente proporcional a la deformabilidad (Modulo de Elasticidad y Poisson), ya que esto aumenta las zonas de debilidad. La porosidad representa un índice de la calidad de la roca Los valores típicos son mas bajos que en los suelos

16 Valores típicos de porosidad Rocas sedimentarias: Factor responsable – poros Puede variar entre 0<n<90% Arenisca media n=15% n depende del cementante Rocas ígneas y metamórficas: Factor responsable fisuras Normalmente n<1 a 2% n aumenta con la meteorización hasta 20% o mas n disminuye con la profundidad y la edad Valores normales de la porosidad es 15 a 30 %.

17 En algunos casos el valor de porosidad es suficiente pero para una descripción completa se requerirá además del valor de densidad. Un valor bajo en la densidad seca de la roca generalmente se relaciona con un valor de porosidad alto.

18 Peso especifico Denominado también peso unitario, se define por el peso de la muestra (Wm) por unidad de volumen de la muestra (Vm). Ɣ = Wm/Vm También se puede obtener el Peso especifico por la siguiente formula: Ɣ = ρ *g Donde ρ es la densidad de la roca y g es la gravedad. No se debe confundir el peso especifico con la densidad.

19 Densidad Nos da información acerca de la composición de la roca. El rango de variabilidad de la densidad de las rocas es mucho mayor que la de los suelos. Existe una buena relación entre la densidad especifica y: - La resistencia - La velocidad de transmisión de las ondas - Algunas constantes elásticas Esta dada por la formula σ = m/v

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22 Contenido de agua Es la relación entre el peso del agua contenida en una roca y el peso de su fase sólida. Se expresa en porcentaje Está muy ligado a la porosidad de la muestra y a la profundidad de la que proviene. A mayor contenido de agua mayor disminución de la resistencia El valor de absorción representa cuanta agua puede introducirse en una roca por lo que puede aumentar la presión de poros, lo cual hace que decrezcan los valores de resistencia y esfuerzo en las rocas.

23 Relación de la porosidad con la absorción de agua para rocas

24 Peso volumétrico Es la relación entre el peso de la muestra y el volumen de la muestra El peso y volumen de la muestra se realiza pesándola en el aire y luego pesándola sumergida en mercurio

25 Determinación del peso volumétrico

26 Alteración o meteorización Las rocas al estar expuestas al medio ambiente sufren modificaciones en su estructura y composición mineralógica, modificando sus características y propiedades originales Cuando la roca se altera se incrementa la porosidad lo que origina mayor absorción de agua. Esta dada por la formula: i(%) = P2-P1/P1x100 i = Índice o grado de alteración (%) P1 = Peso del espécimen de la roca. P2 = Peso de la roca saturada.

27 Alterabilidad de las rocas Es la alteración en el tiempo y espacio. Factores condicionantes: Composición mineralógica Fisuras de la roca Agentes agresivos Tratamiento mecánico a que se somete Esta dada por la expresión: J= Δi/ Δt 0 = di/dt t = 0, La roca es inalterable (estado relativo) t < 0, La roca es alterable (inestable) T >0, La roca esta en proceso de alteración, en transición a un suelo residual

28 Uso de la roca de acuerdo con su alterabilidad

29 Durabilidad Resistencia de la roca ante los procesos de alteración. La durabilidad es fundamental en todas las aplicaciones practicas de ingeniería. Las propiedades de la roca se ven alteradas debido a exfoliación, hidratación, oxidación, abrasión, etc. Aumenta con la densidad y se reduce si contiene agua “Slake durability test” (SDT) es el ensayo de durabilidad y mide la resistencia a la disgregación en ciclos estándar de humedad-sequedad- desmoronamiento – Ciclo: secado en estufa a 105º 200 vueltas en tambor en 10 min Se suelen usar dos ciclos

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31 Sensitividad La sensitividad se establece al analizar la variación de la permeabilidad al cerrarse o abrirse las fisuras bajo el efecto de una modificación del estado de esfuerzos aplicados. Para medir dichas variaciones de permeabilidad se realiza una prueba que consiste en utilizar una probeta cilíndrica de roca con una perforación central la cual se somete a dos tipos de flujo. 1.Flujo convergente y 2.Flujo divergente

32 Tipos de flujo para obtener la sensitividad de una muestra de roca

33 Velocidad de transmisión de ondas Relativamente fácil de determinar, tanto ondas transversales como longitudinales La velocidad de transmisión depende, en teoría, únicamente de las propiedades elásticas y de la densidad de las rocas La velocidad de las ondas longitudinales o de compresión Vp, se utiliza como índice de clasificación, su valor indica la calidad de la roca, se correlaciona linealmente con la resistencia a la compresión simple σ c. La velocidad de transmisión de ondas puede servir como índice del grado de fracturamiento de una roca.

34 Índice de calidad IQ(%) = V ɩ /V ɩ *x100% Donde: V ɩ : Es la velocidad real de transmisión de ondas en la muestra V ɩ *: Es la velocidad de transmisión de ondas en una muestra de la misma roca sin poros ni fisuras. Para las rocas la velocidad varia entre 1.000 a 6.000 m/seg Las rocas alteradas y meteorizadas tienen valores menores de 900 m/seg

35 Propiedades mecánicas de las rocas Son de tipo cuantitativo que permiten predecir el comportamiento mecánico de los macizos rocosos y son directamente aplicables dentro del diseño ingenieril. Las propiedades mecánicas más importantes son: 1.Permeabilidad 2.Deformacion 3.Resistencia

36 Permeabilidad Es la propiedad de las rocas de permitir el paso de fluidos a través de ellos Una roca es permeable cuando permite el paso de una cantidad medible de fluido en un espacio de tiempo finito Factores que influyen en la permeabilidad: Temperatura Existencia de cavidades Estratificación y estructura

37 Importante en casos prácticos: - Extracción por bombeo de agua, petróleo, gas etc. - Almacenaje de residuos en formaciones porosas - Almacenaje de fluidos en cavernas -Estimación de la capacidad de retención del agua en embalses -Eliminación de agua en cavernas profundas La presencia de fisuras altera radicalmente la permeabilidad de la roca matriz obtenida en el laboratorio siendo necesarios ensayos de bombeo in situ

38 Pruebas de permeabilidad

39 El ensayo Lugeon es un ensayo de permeabilidad mediante inyección de agua que se realiza en el interior de un sondeo y que se sirve de un obturador para aislar el tramo a ensayar, permitiendo de esta manera alcanzar presiones considerables (10 kp/cm 2 ). El ensayo es adecuado para terrenos resistentes por lo que es de uso frecuente en rocas. Los resultados se suelen expresar en unidades Lugeon. Una unidad Lugeon es la pérdida de 1 litro por minuto y metro lineal bajo una presión de 10 kg/cm 2, lo que equivale aproximadamente 1×10 -7 m/s

40 A partir de las mediciones de caudal se pueden presentar resultados mediante gráficos Profundidad- Admisión o bien gráficos Presión-Caudal de cuyo análisis se puede deducir el comportamiento del macizo rocoso frente a las filtraciones. La permeabilidad obtenida es una medida aproximada de la permeabilidad local. El ensayo es representativo en la medida en que la zona ensayada atraviese un número suficiente de discontinuidades

41 Deformación Cuando se somete una muestra de roca a una carga esta tiende a cambiar de forma, de volumen o bien ambas simultáneamente, lo que depende de la naturaleza de la roca, la magnitud y naturaleza del esfuerzo y el tiempo empleado en la deformación. Durante el período de aplicación del esfuerzo, este y la deformación son inseparables, por lo que se acostumbra a estudiar a la deformación mediante gráficas conocidas como Esfuerzo-Deformación

42 Curvas de Deformación

43 La deformación y el esfuerzo están relacionadas entre sí por el módulo de Young (E) y el coeficiente de Poisson (ﮞ), que son dos constantes elásticas e independientes propias de cualquier material homogéneo e isótropo. Su uso es para determinar la elasticidad de la masa rocosa y la respuesta de la roca ante los esfuerzos inducidos. El módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young (E) relaciona la tensión según una dirección con las deformaciones unitarias que se producen en la misma dirección.módulo de elasticidad longitudinalmódulo de Young El módulo de elasticidad transversal (G) módulo de cortante o módulo de cizalla, para la mayoría de los materiales isótropos guarda una relación fija con el modulo de elasticidad longitudinal y el coeficientemódulo de elasticidad transversal

44 de Poisson: El coeficiente de Poisson (corresponde a la razón entre la elongación longitudinal y a la deformación transversal en un ensayo de traccion. Alternativamente puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y transversalcoeficiente de Poisson Según la naturaleza de los esfuerzos que actúan en una masa rocosa, se diferencian entre normales (como la presión litostática), tangenciales (cuando son tectónicos), o hidrostáticos (como la presión hidrostática); según actúen perpendicularmente a un plano, con un cierto ángulo, o bien actúen de idéntica forma en todas las direcciones.

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47 Fluencia (“creep”): Deformación de un material sometido a una tensión durante mucho tiempo. Aumento de las deformaciones bajo tensiones constantes Tipos de deformación: O – A: Deformación elástica instantánea A – B: Fluencia primaria o transitoria (deformaciones diferidas a velocidades de deformación decreciente) B – C: Fluencia secundaria o permanente (velocidad de deformación constante) C – D: Fluencia terciaria (velocidad de deformación creciente) D: Rotura

48 La deformación elástica corresponde al conjunto de cambios dimensionales que experimenta un cuerpo, solo mientras actúa una fuerza exterior, y al cesar ésta, recupera su estado inicial. En este caso el material se comportaría siguiendo la ley de Hooke. d = P l/E·S (ley de Hooke). Donde: d= Es el alargamiento sometido al esfuerzo de tracción P= Esfuerzo l = Longitud E= Módulo de elasticidad o módulo de Young S= Sección transversal

49 Si la deformación es plástica, las variaciones dimensionales sufridas por el material durante la acción de las fuerzas exteriores continúan al cesar dichas fuerzas, es decir, son permanentes. Las unidades del esfuerzo y sus equivalencias más comunes, son: 1bar = 106 dinas / cn.2 = 105 newtons / m2 = 0,1 megapascales. Y en consecuencia 10 kilobars = 109 pascales = 1 gigapascal. Los mecanismos y el carácter de la deformación se pueden estudiar en el laboratorio de forma experimental (ensayos de corte directo, de compresión uniaxial o triaxial, de extensión) al crear modelos teóricos basados en las características de

50 las rocas, la naturaleza de los esfuerzos y el tipo de deformación (elástica, plástica, frágil). Mediante estos experimentos pueden simularse condiciones de alta presión y temperatura existentes en profundidad, para estudiar el comportamiento de las rocas frente a ellos, así como frente a los esfuerzos dirigidos (tectónicos), que originan plegamiento y fracturación; y los originados por terremotos en profundidad. La deformación en las rocas puede estudiarse a escala microscópica (cambios en las microporosidades y cristales existentes en las rocas), o bien a mayor escala, donde los cuerpos rocosos presentan cambios químicos, físicos y estructurales en respuesta a los esfuerzos.

51 Los límites de la deformación (en el comportamiento plástico, elástico, o frágil) depende de la temperatura, presión de confinamiento, presencia de fluidos, el rango de esfuerzos y el tiempo empleado en producir la deformación de las rocas, esto es, de las condiciones que reinen durante el proceso. Durante la deformación plástica, el esfuerzo aplicado no es proporcional a la deformación generada, puesto que en determinadas condiciones, un pequeño incremento del esfuerzo conlleva una gran deformación permanente en los materiales rocosos.

52 El comportamiento plástico depende de la viscosidad de los materiales a los que afecta, razón por la cual las condiciones de elevada temperatura y velocidad de deformación muy lenta caracterizan este tipo de deformación. La reología es la parte de la física que estudia la deformación de los materiales en estado plástico, o capacidad de los materiales fluyentes (esto es su viscosidad). La viscosidad (h) se mide en poises, unidad equivalente a una dina-segundo por centímetro cuadrado.

53 Condicionantes de la deformación - Los factores que reinan durante la deformación (presión de confinamiento, presión intersticial, temperatura, tiempo empleado, magnitud de los esfuerzos, o la compactación) condicionan enormemente los límites de la deformación y las características que presentan las rocas frente a un estado de esfuerzos. La elevación de la presión de confinamiento produce un aumento de las condiciones de deformación elástica, previas a la rotura; la presión intersticial reduce la acción de los esfuerzos de la presión confinante sobre un material rocoso y disminuye, por tanto, su deformación; la temperatura reduce la resistencia de los materiales y aumenta el campo donde actúa la deformación dúctil; las deformaciones producidas a velocidades muy lentas permiten el desarrollo del

54 campo dúctil, mientras que a velocidades elevadas la deformación es de tipo frágil; la magnitud de los esfuerzos varían las propiedades mecánicas de las rocas, con pequeñas magnitudes de esfuerzo se facilita la deformación dúctil, mientras que las grandes magnitudes se caracterizan por la fragilidad con la que responde el material rocoso; y la compactación, que aumenta con la profundidad, aumenta la cohesión de las rocas, lo que dificulta su rotura (deformación frágil). Por esta razón, rocas típicamente frágiles en condiciones superficiales pueden deformarse dúctilmente en profundidad, donde la temperatura, presión confinante y el tiempo empleado durante la deformación (millones de años), etc; varían la

55 resistencia que presenta a deformarse frente a un estado de esfuerzos concreto. Dependiendo del estado de esfuerzos y las condiciones anteriormente citadas, la deformación puede ser de tipo frágil (fracturas, fallas), o bien dúctiles (pliegues).