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.

Definiendo…..

Anisotropía
Es el conjunto de presencia de
planos de debilidad de
orientaciones preferentes como
lo son la
estratificación, laminación, fami
lias de diaclasa, etc. Los macizos
poseen esta cualidad.

Discontinuidad

Es cualquier plano de origen mecánico que independiza y
separa a los bloques de matriz rocosa que pertenecen a
un macizo rocoso. Por lo general los planos de
discontinuidades presentan nula resistencia a la tracción.

La presencia de discontinuidades
(fallas, juntas, diques, etc.) ofrece una variedad de
características en el macizo, pues al estar fungiendo como
separaciones de los bloques estos sus características y
comportamientos están condicionados por la
naturaleza, frecuencia y orientación de los planos
discontinuos.

Macizo, masa o medio rocoso
El macizo es un conjunto de
bloques de matriz rocosa y
también de las discontinuidades
que afectan a este.
Mecánicamente son medios Matriz Rocosa
discontinuos anisótropos y Material rocoso que se
heterogéneos. Posee una encuentra exento de
resistencia a la tracción nula. discontinuidades también
entre estas, se pueden
encontrar bloques de roca
intactas aisladas. A pesar de
que la matriz es considerada
un elemento continuo su
comportamiento es
anisótropo y heterogéneo.

Analiza los procesos asociados a la
deformación de las rocas.

Efecto de producen la fuerza en las rocas.

Su objetivo:
Conocer y predecir el comportamiento del macizo
rocoso ante la acción de fuerzas internas y externas
que se ejercen sobre él.

Aplicaciones geotécnicas de la descripción y
caracterización de macizos rocosos:

• Cimentación de edificios.
• Estabilidad de taludes: escavados o naturales.
• Construcción de muros y anclajes, escolleras.
• Terraplenes, pedraplenes y presas de tierra.
• Excavaciones a cielo abierto o superficiales.
• Excavaciones subterráneas y túneles.
• Obtención de materiales de construcción
(balasto, macadam, áridos, piedra natural).
• Mejora geotécnica de terrenos.
• Control de filtraciones y drenajes.

El Material
Rocoso
Constituye la
Estructura

Ámbitos de
Aplicación de
la Mecánica
de Rocas
Las Rocas se
La Roca es el
Emplean
Soporte de
como
Otra
Materiales de
Estructuras
Construcción

Los distintos ámbitos de aplicación de la
mecánica de rocas se pueden agrupar en:

Aquellos que el material rocoso
constituye la estructura

excavación galerías
excavación de túneles taludes

Aquellos en que la roca es el soporte
de otra estructuras

cimentación de edificios
cimentaciones de
presas

Aquellos en los que las rocas se
emplean como materiales de
construcción

pedrales

escolleras
rellenos

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.
La finalidad de la mecánica de rocas es
conocer y percibir el comportamiento
de lo materiales rocosos ante la
actuación de las fuerzas internas y
externas que se ejercen sobre ellos.

Mecánica de rocas
• Teórica :
– Geología: petrología, geología
estructural, estratigrafía, mineralogía.
– Física de las rocas: resistencia de materiales, energía
de deformación.
• Práctica:
– Ingeniería geológica: prever comportamiento de las
rocas y prevenirlos (taludes, cimentaciones, túneles)
– Minería
– Recursos energéticos
– Sismicidad

Cuando se excava un macizo rocoso o se
construyen estructuras sobre ella se
modifican las condiciones iniciales del
medio rocoso, el cual responde a estos
cambios deformándose y/o
rompiéndose.

A nivel de macizo rocoso las
deformaciones y roturas se
suelen producir a favor de los
planos de discontinuidad.

A nivel microscópico…
las partículas minerales sufren
desplazamientos y pueden generar
planos de fractura como respuesta
al nuevo estado de tensiones.

El conocimiento de las tensiones
y las deformaciones que puede
llegar a soportar el material
rocoso 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 propiedades físicas controlan las características
resistentes y deformaciones de la matriz rocosa

Son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos
y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

Recordando….. Densidad
Las propiedades Físicas de las Rocas
Composición Mineralógica

Alterabilidad

Porosidad

Estructura y fábrica

Dureza

Permeabilidad

Caracterización del macizo rocoso
Los aspectos que deben describirse en el campo
son:
– Identificación
– Meteorización o Alteración
– Resistencia a compresión simple

Identificación
La identificación de visu de una roca se establece a
partir de su composición y de su textura o
relaciones geométricas de sus minerales.

Observaciones generales sobre el macizo rocoso:
– Composición mineralógica
– Forma y tamaño de los granos
– Color y Transparencia
– Dureza

Control geológico de
la propiedades de la
matriz rocosa y del
macizo rocoso.

Resistencia
La resistencia de la matriz rocosa puede ser
determinada por ensayos simples de campo
como:
– Ensayo de carga puntual ( PLT)
– El martillo de Schmidt

Meteorización

EI grado de meteorización de la roca es una
observación importante en cuanto que
condiciona de forma definitiva sus propiedades
mecánicas. Según avanza el proceso de
meteorización aumentan la
porosidad, permeabilidad y deformabilidad del
material rocoso, al tiempo que disminuye su
resistencia.

Discontinuidades
Las discontinuidades condicionan de una forma
definitiva las propiedades y el comportamiento
resistente, deformacional e hidráulico de los
macizos rocosos. La resistencia al corte de las
discontinuidades es el aspecto más importante
en la determinación de la resistencia de los
macizos rocosos duros fracturados, y para su
estimación es necesario definir las
características y propiedades de los planos de
discontinuidad.

La descripción y medida de estos parámetros
para cada familia debe ser realizada en campo:
– Espaciado
– Rugosidad
– Resistencia de las paredes
– Abertura
– Relleno

Rugosidad
• La descripción y medida de la
rugosidad tiene como principal
finalidad la evaluación de la
resistencia al corte de los planos.
• Puede ser determinada de forma
empírica
• Métodos más precisos:
– Método de Discos
– Perfiles Lineales

Relleno
• Las discontinuidades pueden aparecer rellenas
de un material de naturaleza distinta a la roca
de las paredes.
• Descripción necesaria para el campo:
– Espesor o Anchura
– Resistencia al Corte
– Permeabilidad
– Naturaleza

Abertura
Es la distancia perpendicular que separa las
paredes de la discontinuidad cuando no existe
relleno .

La respuesta mecánica esta en función de otros factores como las
condiciones hidrogeológicas, las condiciones ambientales, el clima
y los fenómenos meteorológicos; que actúan sobre el medio
geológico y dan lugar a los procesos de alteración y
meteorización, modificando las propiedades iniciales de las rocas
y macizos rocosos.

Como vemos el estado y comportamiento mecánico de
los macizos rocosos son resultado de la combinación de
todos estos factores, con diferente grado de
importancia para cada situación.

Así, en medios superficiales, la
discontinuidad y los procesos de
meteorización jugaran un papel
muy importante en el
comportamiento mecánico de los
macizos, mientras que en
profundidad será el estado
tensional preexistente el mayor
condicionante de la respuesta
mecánica.

Las obras de ingeniería
modifican el estado tensional
en un tiempo muy corto y
pueden tener lugar
interacciones mutuas entre la
liberación o redistribución de
los esfuerzos naturales y las
estructuras.

Parámetros de la mecánica de rocas
• Deformabilidad del macizo rocoso
• Relación entre esfuerzo y deformación
• Resistencia
• Condiciones que producen su ruptura
• Estado del esfuerzo en condiciones iniciales
• Estado del esfuerzo bajo las solicitaciones
aplicadas
• Problemas estáticos y dinámicos debido al flujo
de agua

Propiedades de la mecánica de rocas
Las propiedades más importantes son:
• Deformación
• Resistencia

Deformación
La roca tiende a cambiar de
forma o volumen al aplicarle una
fuerza.

El esfuerzo y la deformación van
juntas por lo que se estudia la
deformación mediante gráficas
del esfuerzo en función de la
deformación.

Clasificación de las rocas con respecto a su
resistencia a la compresión

Resistencia
• Esfuerzo de compresión: tiende a reducir el
volumen del material
• Esfuerzo de tensión: crea fracturas en el
material
• Esfuerzo cortante: desplazamiento de una
parte de la roca.

Determinación
de las
propiedades
mecánicas
Consiste en aplicar a los
pedazos de roca cargas
axiales sin confinamiento
(figura 6.6 a). Los pedazos
son generalmente cilindros
de 2.5 a 7.5 cm de
diámetro y de altura igual a
dos diámetros

Pruebas Triaxiales
Simulan el estado de esfuerzos en el que se
encontraba la roca en el campo. El estado de
esfuerzo es factible de representar con los esfuerzos
normales principales (σ₁, σ₂, σ₃), los cuales son
ortogonales entre sí. En los ensayos triaxiales, por
simplicidad, los esfuerzos σ₂ y σ₃ permanecen
constantes.

Ensayo de tensión directa

Ensayo de tensión indirecta

Desde comienzos de los años 70 se ha extendido el
uso de sistemas de calificación y clasificación
geotécnica de macizos rocosos, los que emplean un
índice de calidad geotécnica para calificar el macizo
rocoso, de acuerdo a esta calificación o
“rating”, clasificarlo según su “calidad geotécnica”.

Actualmente los sistemas de
calificación y clasificación
geotécnica de macizos rocosos
más usados en la
industria minera son los
siguientes:

Sistema de Bieniawski o calificación del macizo
rocoso según el índice RMR (Bieniawski, 1973)

Permite hacer una clasificación
de las rocas 'in situ‘, estimar el
tiempo de mantenimiento y
longitud de un vano.
Consta de un índice de calidad RMR
(Rock Mass Ratting), independiente de
la estructura, y de un factor de
corrección
Se utiliza usualmente en la
construcción de túneles, de taludes
y de cimentaciones.

Clasifica…
• La resistencia a compresión simple
de la roca.
• El RQD (Rock Quality
Designation).
Es el porcentaje de recuperación
de testigos de más de 10 cm de
longitud (en su eje) sin tener en
cuenta las roturas frescas del El método de clasificación de
proceso de perforación respecto Bieniawski se desarrolló para
de la longitud total del sondeo. estimar la fortificación de
• La separación entre las diaclasas y
túneles en función del índice
RMR de calidad
su estado.
• La presencia de agua freática. definido
geotécnica,
como:

RMR = P(UCS) + P(RQD) + P(s) + P(JC) + P(WC)
P(x) Es el puntaje asociado al parámetro x.

UCS Es la resistencia en compresión uniaxial de la roca “intacta”, y el puntaje
asociado a la misma puede variar de 0 (si UCS < 1 MPa) a 15 (si UCS > 250 MPa).

RQD Es la designación de la calidad de la roca definida por Deere et al. (1967), y el
puntaje asociado a la misma puede variar de 3 (si RQD < 25%) a 20 (si 90 < RQD
≤ 100).}

S El espaciamiento entre las estructuras, y el puntaje asociado al mismo puede
variar de 5 (si s < 60 mm) a 20 (si s > 2 m).

JC Es la condición de las estructuras, y el puntaje asociado a la misma puede variar
de 0 (en el caso de estructuras continuas y abiertas más de 5 mm, o con rellenos
arcillosos blandos de potencia mayor a 5 mm) a 30 (en el caso de estructuras
discontinuas, muy rugosas, cerradas y sin alteración de su roca de caja).

WC Es la condición de aguas, y el puntaje asociado a la misma puede variar de 0 (en
el caso de estructuras con flujo de aguas que se traduce en un gasto de más de
125 lt/min en un tramo de túnel de 10 m de longitud, o donde la presión del
agua excede el 50% del esfuerzo principal mayor) a 15 (en el caso de estructuras
completamente secas).

Sistema de Laubscher o calificación del macizo
rocoso según los índices RMR y MRMR

El método de clasificación de
Laubscher (1975) se desarrolló
como una variante del método
de Bieniawski orientada a
aplicaciones
mineras, definiendo la calidad
geotécnica del macizo rocoso in
situ mediante un índice IRMR
1, que luego se modifica para
definir un índice de calidad
geotécnico-minera, MRMR
(Mining Rock Mass Rating).

El índice IRMR se define como:

IRMR = P(BS) + P(JS) + P(JC)
JC es la condición de las estructuras, definida
en términos de su rugosidad a escala
intermedia y menor, de la alteración de la
P(x) es el puntaje asociado al parámetro x. roca de caja, y de la potencia y competencia
del material de relleno (si lo hay). El puntaje
asociado a JC varía de 4 (estructuras planas y
BS es la resistencia en compresión uniaxial de pulidas, con rellenos potentes de salbanda y
los bloques de roca que conforman el macizo fuerte alteración de la roca de caja) a 40
rocoso; la cual depende de la resistencia de (estructuras ondulosas en varias
la roca “intacta” (denominada IRS en el direcciones, bien trabadas, sin alteración de
método de Laubscher), y la presencia de la roca de caja y con rellenos de
vetillas. El puntaje asociado a BS puede variar competencia similar a la de la roca de caja).
de 0 (si BS = 0 MPa) a 25 (si BS ≥ 160 MPa).
JS es el espaciamiento de las estructuras
abiertas, que incluye una corrección para
tomar en cuenta la presencia de uno o dos
sets de estructuras selladas (e.g. vetillas) con
rellenos de resistencia menor a la de la roca
de caja. El puntaje asociado a JS varía de 3 (3
sets de estructuras con un espaciamiento de
0.1 m) a 35 (1 set de estructuras con un
espaciamiento de 2 m).

Sistema de Barton o calificación del
macizo rocoso según el índice Q
El método de clasificación de Barton et al.
(1974) se desarrolló para estimar la
fortificación de túneles en función del
índice Q de calidad geotécnica, definido
como:
Donde el primer cociente
corresponde a una estimación del
tamaño de los bloques que
conforman el macizo rocoso, el
segundo cociente corresponde a una
estimación de la resistencia al corte
entre bloques, y el tercer cociente
representa lo que Barton et al. (1974)
denominan esfuerzo “activo”. Los
parámetros que definen estos
cocientes son:

Ja “Joint Alteration Number”, este coeficiente
esta asociado a la condición o grado de
alteración de las estructuras presentes en
el macizo rocoso que puede variar de 0.75
vetillas selladas en roca dura con rellenos
resistentes y no degradables y a 20
estructuras con rellenos potentes de
RQD La designación de la calidad arcilla.
de la roca definida por Deere,
que puede variar de 0 en
macizos rocosos de muy mala Jw Es un coeficiente asociado a la condición
calidad y a 100 en macizos de aguas en las estructuras presentes en
rocosos de excelente calidad. el macizo rocoso “Joint Water Reduction
Factor”, que puede variar de 0.05 flujo
notorio de aguas, permanente o que no
Jn Un coeficiente asociado al número de decae en el tiempo y a 1, estructuras secas
sets de estructuras presentes en el o con flujos mínimos de agua.
macizo rocoso “Joint Set Number”.
Este puede variar de 0.5 en macizo
masivo o con pocas estructuras y a 20
en roca totalmente disgregada o
triturada. SRF “Stress Reduction Factor” es un
coeficiente asociado al posible efecto de la
condición de esfuerzos en el macizo
rocoso , que puede variar de 0.05
Jr Coeficiente asociado a la rugosidad concentraciones importantes de esfuerzos
de las estructuras presentes en el en roca competente y a 400 potencial
macizo rocoso o “Joint Roughness ocurrencia de estallidos de roca.
Number”. Puede variar de 0.5 para
estructuras planas y pulidas. A 5 en
estructuras poco persistentes
espaciadas a más de 3 m.

Todos estos sistemas se desarrollaron
con el propósito de evaluar la condición
de estabilidad y requerimientos de
fortificación de excavaciones
subterráneas, y califican el macizo rocoso
considerando básicamente tres
parámetros:

Parámetro A: En general no se explicita si se
trata de una definición en
términos de esfuerzos
efectivos o totales que
definen un “esfuerzo
La resistencia de los bloques activo”, pero comúnmente
de roca que conforman el se supone que se trata de
macizo rocoso (la esfuerzos efectivos.
resistencia de la roca, no del
macizo rocoso), en términos
de su magnitud absoluta o
bien en términos de su
magnitud relativa respecto
al estado tensional in situ e
inducido.

Parámetro B

La “blocosidad” del macizo
rocoso, definida en forma
indirecta mediante variables
asociadas al grado de
fracturamiento y/o
espaciamiento de las
estructuras del macizo rocoso.

Parámetro C:
La condición de las discontinuidades que
definen los bloques y, al mismo tiempo, la
condición de contacto entre éstos. Definida
considerando una serie de variables geológico-
geotécnicas de tipo cualitativo.

El método del índice de resistencia geológica
se desarrolló con el propósito de escalar la
resistencia del macizo rocoso, definida de
acuerdo al criterio de Hoek-Brown. Conforme
con esto, este método solo considera los
parámetros B (blocosidad del macizo rocoso) y
C (condición de las discontinuidades) e ignora
el parámetro A, ya que la resistencia de la roca
es parte de la información de entrada en el
criterio de Hoek-Brown.

Conforme con lo anterior, puede señalarse
que estos métodos se han desarrollado
suponiendo que el macizo rocoso se
encuentra fracturado o intersectado por
discontinuidades que definen bloques Por lo tanto, el caso de un
que, implícitamente, no conforman un macizo rocoso masivo
conjunto masivo. corresponde a una condición
extrema para estos métodos
y, por lo tanto, a veces difícil
de calificar con el detalle
suficiente que permita
diferenciar entre distintos
tipos litológicos.

Método del índice de resistencia
geológica, GSI (Hoek, 1994)

El índice de resistencia geológica GSI, fue
desarrollado por Hoek (1994) para subsanar los
problemas detectados con el uso del índice RMR para
evaluar la resistencia de macizos rocosos según el
criterio generalizado de Hoek-Brown

Este índice de calidad geotécnica se
determina en base a dos parámetros que
definen la resistencia y la deformabilidad
de los macizos rocosos:

RMS es la “estructura del macizo rocoso”,
definida en términos de su blocosidad
y grado de trabazón.

JC Es la condición de las estructuras
presentes en el macizo rocoso.

La evaluación del GSI se hace por comparación del caso que
interesa con las condiciones típicas, y el mismo puede variar de
0 a 100, lo que permite definir 5 clases de macizos rocosos:

· Macizos de calidad MUY MALA (Clase V, 0 £ GSI £ 20).
· Macizos de calidad MALA (Clase IV, 20 <GSI £ 40).
· Macizos de calidad REGULAR (Clase III, 40 <GSI £ 60).
· Macizos de calidad BUENA (Clase II, 60 <GSI £ 80).
· Macizos de calidad MUY BUENA (Clase I, 80 <GSI £ 100)

Respecto al uso del índice GSI para caracterizar geotécnicamente el macizo rocoso, es
conveniente indicar lo siguiente:

1.- No es aplicable en aquellos casos en que el comportamiento del macizo rocoso
presenta un claro control estructural. De hecho, cuando el macizo presenta solo dos sets
de estructuras el criterio de Hoek-Brown (para el cual fue desarrollado el GSI) debe
aplicarse con mucho cuidado.

2.- No considera la resistencia en compresión uniaxial de la roca intacta, ya que al
evaluar la resistencia del macizo se incluyen los parámetros que definen el criterio de
Hoek-Brown (si se incluyera se “contaría dos veces”).

3.- No considera el espaciamiento entre estructuras, ya que éste está implícitamente
incluido al evaluar la blocosidad del macizo rocoso (a mayor espaciamiento el macizo es
más masivo y a menor espaciamiento es de mayor blocosidad).

4.- No considera la condición de aguas porque el criterio de Hoek-Brown se define en
términos de esfuerzos efectivos (si se incluyera se “contaría dos veces”).

El índice GSI debe definirse en un rango y no como un valor específico. En la práctica es
usual definir un rango de unos 15 puntos.

Primer procedimiento

Se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos .

A partir de los testigos obtenidos en la exploración.
Medida del RQD en testigos de Exploración 150

Se deben incluir los discos del núcleo ocasionados

= Suma de la longitud de testigos superiores a 10 cm
= Longitud total de sondeo

• (RQD) Rock Quality Designation
• Desarrollado por Deere entre 1963 y 1967
• Varios tipos de procedimientos

Segundo procedimiento

Comprende el cálculo del RQD
en función del número de fisuras por metro

RQD Determinado en el campo por el área de Geotecnia,
en un tramo longitudinal de pared expuesta

RQD = 100 (-0.1 ) x (0.1 1 + )

Donde: = Nro. De Fisuras / Espacio

Tercer procedimiento

Comprende el cálculo del RQD en función
del número de fisuras por metro cúbico

Ejemplo:

si una fisura corta al eje x y al eje y, la contaremos bien en el eje x o
en el eje y pero no en ambos.
Para tener una mayor precisión, mediremos una longitud adecuada
en cada eje y luego hallaremos
el número de fisuras en un solo metro, haciendo una regla de 3
simple.
Jv(eje)=(# de fisuras / longitud del eje)

(Jv)== Joint Volumétric number
(Detail line)

Porcentaje de RQD
Comparativa

RQD Rock mass quality

<25% muy pobre

25-50% pobre

50-75% normal

75-90% bueno

90-100% muy bueno

Recuperación de un sondeo

sondeos en suelo es un parámetro muy útil

sondeos en roca

Don U. Deere definió
entre 1963 y 1967
su RQD, o Rock
Quality Designation

Usos
Geotecnia ( mas comodo y facil de usar)

RQD pasó a formar parte de las
clasificaciones geomecánicas más habituales

…que sea más o menos
exacto, ya es otro tema…

Desventajas

• No sirve para suelos

• Se desarrolló para rocas ígneas

• No debe tenerse en cuenta en el caso de
roturas por desecación,
retracción o tensiones longitudinales

• Depende de la dirección del sondeo

• Hay que saber usarlo con precaución

Bibliografía
Gonzalez de Vallejo, L. I. (2004). Ingenieria
Geologica. España: Person Educacion.

Lopez Marino, J. M. (2006). Geologia
aplicada en la ingenieria civil. España:
Editoriales Dossat.

Ruiz V. , Gónzalez H. (2002). Geología
Aplicada a la Ingeniería Civil .México:
Limusa.

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