MECÁNICA DE ROCAS BÁSICA A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
1.- Concepto geotécnico de roca !
Definiciones Básicas
2.- Propiedades físicas y mecánicas de las rocas !Composición mineralógica, textura, fábrica, etc. !Porosidad.
Índice de huecos.
!Peso específico. Densidad. !Permeabilidad. !Meteorización. Alterabilidad. Durabilidad. !Resistencia
3.- Tensión Tensión y Deformación de las rocas !Conceptos Generales !Resistencia y !Relaciones
rotura: Criterios
tensión - deformación
Comportamiento o !Comportamient !Criterios
Reológico
de resistencia
!Efecto escala
MECÁNICA DE ROCAS
A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y el comportamiento de los materiales rocosos y de su reacción frente a los esfuerzos aplicados. 1.- Concepto Geotécnico de Roca. Definiciones básicas: Geología o -Diferente definición según la Geología o la Geotecnia Según la Geología, roca es un agregado de minerales con las mismas características de conjunto en un área de cierta extensión de la corteza terrestre. Es decir decir,, todos los materiales de la corteza son rocas independientemente de su grado de consolidación mientras que la Geotecnia establece una distinción entre suelo y roca: Roca: agregado natural de partículas de uno o más minerales, con fuerte unión cohesiva permanente, que constituyen masas geológicamente independientes y cartografiables. Suelo: agregado natural de partículas minerales separables por medios mecánicos de poca intensidad. - Roca / Macizo rocoso : Las rocas suelen presentar diversos grados de alteración y están afectadas por discontinuidades en mayor o menor medida, por eso distinguimos entre Matriz rocosa y Macizo rocoso. Macizo rocoso : Conjunto constituido por una o varias matrices rocosas con una determinada estructura, afectadas por un cierto grado de alteración y una serie de discontinuidades, pudiendo contener o no agua. De este modo, no se pueden modelizar, modelizar, para el estudio de su comportamiento, mediante las teorías de los sólidos continuos sino de los SÓLIDOS DISCONTINUOS
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Comportamiento del macizo rocoso. A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Factores de los que depende: - Matriz rocosa: litología, características, propiedades. - Discontinuidades: diaclasas, estratificación, esquistosidad. - Otras estructuras geológicas no discontinuas (sedimentarias, tectónicas) - Estado tensional, sismicidad, movimientos del terreno ! - Grado de meteorización. - Condiciones hidrogeológicas: nivel freático, oscilaciones, circulación !
Matriz rocosa
Aplicaciones geotécnicas: -Cimentaciones - Medidas correctoras e inestabilidades: Muros, anclajes, drenajes. - Estabilidad de taludes: naturales y excavados. - Excavaciones a cielo abierto. -Túneles y obras subterráneas. - Terraplenes, pedraplenes - Explotaciones mineras. - Materiales de construcción: escolleras, áridos, balasto, rocas ornamentales, !
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Discontinuidades
2 Propiedades de las rocas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
2.1.- Introducción Según el Grupo de trabajo de ingeniería de la Sociedad Geológica de Londres , la roca matriz puede describirse y estudiarse de dos formas : “
”
Desde un punto de vista petrográfico, o geológico, en el que la principal consideración es el contenido mineral de la roca, la interacción (física y química) entre los granos y los procesos que han afectado a la roca después de su formación; o,
!
poniendo mayor énfasis en aquellos aspectos de la roca matriz que conciernen a las propiedades ingenieriles. !
El primer enfoque implica una consideración detallada de la petrografía de la roca, gran parte de la cual se considera meramente incidental para la descripción del macizo rocoso y proporciona poca información sobre las propiedades de la roca que son importantes para su comportamiento en la ingeniería. Pero en algunos casos es necesaria la descripción petrográfica detallada y siempre es esencial una descripción petrográfica básica.
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Las propiedades básicas básicas de la matriz rocosa que es necesario conocer son: “
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!
Identificación:
”
Clasificación de rocas:
Genéticas Ingenieriles
Fisonomía de las rocas.
Color Tamaño de grano Textura, etc.
!
Degradación:
!
Propiedades índice:
Prop ropiedades de la mat matriz riz como material trifá ifásico ico.
!
Resistencia:
Resistencia cia a compresión ión simpl mple.
!
Otras propiedades:
Dureza, abrasividad. Permeabilidad. Velocidad de transmisión de ondas ...
Mete Meteor oriz izac ació ión n y alte altera raci ción ón.. Alterabilidad.
El conocimiento de estas propiedades tiene interés tanto como posibles parámetros de diseño en un proyecto, como criterios o especificaciones en Pliegos de Condiciones, etc.
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2.2 .– Identificación de rocas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Clasificaciones de rocas
Existen multitud de clasificaciones de las rocas, tanto desde el punto de vista de diversas ciencias o actividades como de la Mecánica de Rocas. No deben de confundirse las clasificaciones de rocas (generalmente solo contemplan la matriz rocosa o alguna(s) de sus propiedades) con las Clasificaciones Geomecánicas (generalmente dirigidas a los macizos rocosos). Se pueden considerar tres tipos: "
Clasificaciones genéticas, morfológicas, etc
"
Clasificaciones genéticas con fines ingenieriles
Clasificaciones ingenieriles (basadas en uno o varios parámetros de comportamiento). "
En los dos últimos grupos se incluyen clasificaciones que, aún siendo muy útiles como herramientas parciales , se ha pretendido usarlas, con resultado de fracaso, como las clasificaciones geomecánicas. “
”
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Clasificaciones genéticas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Se utilizan las clasificaciones geológicas ampliamente aceptadas: Según el proceso de formación de las rocas (ciclo geológico):
IGNEAS • Plutónicas (o intrusivas) • Volcánicas (o efusivas) • Filonianas
SEDIMENTÁRIAS • Detríticas • De origen químico • De origen orgánico
METAMÓRFICAS (múltiples clasificaciones complejas atendiendo a diversos criterios)
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Clasificaciones genéticas – ingenieriles (Clasificación de Goodman) A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Según la textura que presentan y el comportamiento
DE TEXTURA CRISTALINA DE TEXTURA CLÁSTICA DE GRANO MUY FINO ORGÁNICAS
Textura cristalina Cristales fuertemente entrelazados, de silicatos, carbonatos, sulfatos u otras sales
Textura clástica Bloques de varios tipos y granos de minerales diversos, cuyas cuyas propiedades vienen determinadas por el tipo de cementación que une los distintos elementos
Rocas de grano muy fino Compuestas principalmente de arcillas o limos con deformabilidad, resistencia, resistencia, durabilidad y tenacidad muy variable
Rocas orgánicas Pueden ser de comportamiento viscoso, viscoso, plástico o elástico
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De acuerdo con Goodman, la clasificación de las rocas según la textura, en cuatro grupos, se hace de modo que la inclusión en uno de ellos lleve aparejado un determinado comportamiento geomecánico.
I – Rocas de textura cristalina
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II – Rocas de textura clástica
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III – Rocas de grano muy fino
IV – Rocas orgánicas
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Clasificación de la ISRM A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
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Fue propuesta por la ISRM, publicándose en el Boletín de la IAEG en 1979.La clasificación se realiza atendiendo al tamaño de grano y al grupo genético geológico A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Muestra algunas indicaciones sobre el comportamiento de las rocas, sobre todo en lo que se refiere a resistencia.
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Clasificaciones ingenieriles Según la resistencia a compresión simple:
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Clasificaciones ISRM (1978) según la resistencia: A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
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Clasificación de Deere y Miller (1966): A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
y Turk y Dearmen (1985)
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2.3 – Fisonomía de las rocas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Las propiedades físicas de las rocas son el resultado de su composición mineralógica, fábrica e historia geológica incluyendo los procesos de alteración y meteorización. Estas propiedades físicas o propiedades índice, índice, son las que determinan su comportamiento mecánico. Textura . Las propiedades fundamentales a considerar son: Color, Tamaño de grano y Textura. La importancia de estas propiedades radica en que no solo sirve para la clasificación de las rocas, sino en que puede proporcionar información tanto de su composición como (y por tanto) de sus propiedades y comportamiento comportamientoss mecánicos.
Andesita con textura porfídica porfídica
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Brecha de falla
Color de las rocas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Resulta difícil de cuantificar y es conveniente utilizar métodos sencillos y más o menos normalizados como normalizados como el que se indica en la tabla adjunta; en ella se proponen unos colores básicos a los que se puede añadir un calificador (intensidad) y un valor de amplio rango (tono). Métodos más precisos para la definición del color requieren el uso de una guía (p.e. cartas de colores). “
”
COLOR BÁSICO
INTENSIDAD (TONALIDAD)
VALOR (INTENSIDAD)
ROSA ROJO AMARILLO MARRÓN VERDE OLIVA VERDE AZUL BLANCO GRIS NEGRO
ROSADO ROJIZO AMARILLENTO AMARILLENTO CASTAÑO VERDOSO AZULADO GRISÁCEO
CLARO OSCURO
(Tomado de The description of rock masses for engineering purposes , ANON, 1977)
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Tamaño de grano A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
El tamaño de grano puede proporcionar información muy útil sobre las rocas
• ROCAS IGNEAS
VELOCIDAD ENFRIAMIENTO
• METAMÓRFICAS
PRESIÓN Y TEMPERATURA
• SEDIMENTARIAS
CLASIFICACIÓN
Deben utilizarse clasificaciones simples; la más sencilla:
TAMAÑO
APRECIACIÓN APRECIA CIÓN
DENOMINACIÓN DENOMIN ACIÓN
> 5 mm
A simple vista
GRANO GRUESO
1 – 5 mm
Id. o con lupa
GRANO MEDIO
< 1 mm
Id. o microscopio
GRANO FINO
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Como mucho se puede utilizar una clasificación, un poco más amplia, que permita comparar con las clases de tamaño de grano que se utilizan para el suelo:
TAMAÑO DE GRANO
DENOMINACIÓN
> 60 mm
GRANO MUY GRUESO
60 – 2 mm
GRANO GRUESO
2 mm – 60 !m
GRANO MEDIO
60 !m – 2 !m
GRANO FINO
< 2 !m
GRANO MUY FINO
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APRECIACIÓN
VISIBLES SIN AYUDA YUD A DEL MICROSCOPIO
NO VISIBLES SIN MICROSCOPIO
CORRESPONDENCIA CON LOS SUELOS
BLOQUES GRAV GRAVA ARENA LIMO ARCILLA
Textura A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Hace referencia a la disposición de los granos y/o la disposición entre ellos; se usan diversos términos diferentes: textura, factor de textura y estructura . En la literatura geológica se utilizan estos términos de formas muy diferentes y ambiguas; para su uso geotécnico entenderemos:
TEXTURA - Se refiere a la apariencia física general de los granos individuales de la matriz rocosa (tamaño, forma, grado de cristalización, disposición de los elementos).
FACTOR DE TEXTURA - Es la relación entre los granos, el modo en que están distribuidos dentro de la matriz rocosa (orientaciones irregulares, orientaciones preferentes, esquistosidad, etc).
ESTRUCTURA - Hace referencia a una escala mayor: homogeneidad (misma apariencia de toda la masa rocosa); bandeado (capas de diferente composición mineral); exfoliación, etc.
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Existen muchos términos para definir la textura, p.e. en la Encyclpedia of Igneous and Metamorphic Petrology se citan 108 texturas de rocas ígneas. ígneas. Como es evidente, no tiene tiene objeto repasarlas todas, citaremos unas cuantas a modo de ejemplo:
Textura cristalina:
Cuando la roca está compuesta por cristales (es decir, sus átomos constituyentes están dispuestos según una red periódica).
cristales son muy pequeños pequeños (algunos µm) incluso Textura criptocristalina: Cuando los cristales difíciles de ver al microscopio
Textura granular:
Se aplica a las rocas que presentan asociaciones de cristales (o granos) todos ellos visibles a simple vista.
Textura porfídica:
Presentan cristales de gran tamaño dispersos en una pasta afanítica (sin cristales visibles).
Textura vítrea:
En las rocas constituidas enteramente, o en gran parte, por vidrio; el vidrio es el magma que ha enfriado rápidamente sin cristalizar, pudiendo presentarse en proporciones variables, como matriz que engloba a los cristales.
Textura amorfa:
La de las sustancias minerales que no son cristalinas (si sus átomos constituyentes no están dispuestos según una red periódica).
"etc.
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3.- Meteorización. Alterabilidad A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
La meteorización es la alteración que sufren las rocas debido a la acción de los agentes atmosféricos. -Todas las rocas están alteradas en mayor o menor grado. En algunos casos se ha llegado a un equilibrio que evita el progreso de la meteorización. Tanto la meteorización como la alteración se refieren a procesos destructivos, mecánicos, físicos o químicos, que provocan cambios en las propiedades de las rocas. La meteorización está ligada a procesos más superficiales mientras que la alteración alcanza mayor profundidad
Factores de la meteorización: • Factores internos: mineralogía, tamaño y forma de los minerales, estado de cristalización, textura. • Factores externos: clima (temperatura, humedad, lluvia, viento). • Tiempo de exposición (relacionado con la profundidad) Granito alterado
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Tipos de meteorización: mecánica: Cambios de temperatura, acción del hielo, ciclos de humedad! Meteorización mecánica: sequedad, raíces, dinámica fluvial, marina, eólica, etc. ! Meteorización química: química: oxidación, carbonatación, hidrólisis, hidratación, cambio catiónico, quelación:
A Í R E I N E G Oxidación: la más común es la de los minerales férricos, produciendo un aumento de N I volumen. N E L A Carbonatación: reacción de minerales con el CO 2 disuelto en el agua (rocas carbonatadas) A C I N N Hidrólisis: minerales que tienen una parte de su estructura que reacciona con el agua, O I C C É liberando cationes, mientras que la parte insoluble se organiza dando nuevas estructuras T A O N E minerales. (silicatos) R E G T Hidratación: no hay cambio químico, sólo incremento de volumen (arcillas) N I O Cambio catiónico: intercambio de cationes entre una solución rica en uno y un mineral con D A cationes afines. M O L Quelación: incorporación de cationes metálicos a moléculas de hidrocarburos. P I !Meteorización biológica: Debida a los seres vivos. De poca importancia (excepto la D
antrópica)
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Existen muchos intentos de clasificación de las rocas alteradas o meteorizadas. Veamos Veamos las más comunes A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Clasificación de rocas meteorizadas (Sociedad Geológica de Londres)
Inalteradas
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La meteorización es mucho más importante en el macizo rocoso, ya que no sólo es un proceso superficial. Proceso lento en general.
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K7*)#
K7*)# 2#% 2#.9)*/, -*$'%/*60,2'3% -* /*A/70,=
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DESCRIPCIÓN DE LA ALTERACIÓN A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
• DÉBILMENTE, LIGERAMENTE • ROCA FRESCA O SANA
• MODERADAMENTE
• ROCA DECOLORADA
• BASTANTE
• ROCA DESCOMPUESTA DESCO MPUESTA
• MUY
• ROCA DESINTEGRADA
• ALTAMENTE, EXTREMADAMENTE • COMPLETAMENTE
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Escala de meteorización de la ISRM (1977) A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
GRADO
SIMBOLO
DENOMINACIÓN
Ia
% DE ROCA DESCOMPUESTA
0 F
SANO O FRESCO
II
SW
LIGERAMENTE ALTERADO ALTERADO
< 10
III
MW
MODERADAMENTE ALTERADO
10 – 50
IV
HW
ALT ALTAMENTE ALTERADO ALTERADO
50 – 90
V
CS
COMPLET COMPLE TAMENTE ALTERADO ALTERADO
> 90
VI
RS
SUELO RESIDUAL
100
Ib
Nota No tas: s:
Func Fu ncio iona na mu muyy bie bien n par paraa roc rocas as íg ígne neas as (p (par araa la la que que fu fuee cre cread ada) a).. No tan bien en otros tipos de roca como las pizarras o esquistos. No se puede aplicar a las calizas.
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Débil decoloración discontinuidades
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Tan importante como conocer el grado de alteración de la roca es determinar su alterabilidad ; existen multitud de ensayos: “
ENSAYO ENSAYO
”
AGENTE
MIDE LA ALTERACIÓN ALTERACIÓN POR
INMERSIÓN INMERSI ÓN EN AGUA
ACCESO DE AGUA A LAS JUNTAS MAL SOLDADAS. DISPERSIÓN DE COMPONENTES ARCILLOSOS.
SLAKE
INMERSIÓN EN AGUA CON GOLPEO
ACCESO DE AGUA A LAS JUNTAS MAL SOLDADAS. DISPERSIÓN DE COMPONENTES ARCILLOSOS. ROTURAS MECÁNICAS POR ABRASIÓN
LUTTON
DESECACIÓN E INMERSIÓN EN AGUA
ACCESO DE AGUA A LAS JUNTAS MAL SOLDADAS. DISPERSIÓN DE COMPONENTES ARCILLOSOS.
LOS ÁNGELES
GOLPEO CON BOLAS DE ACERO
MACHAQUEO POR ACCIÓN MECÁNICA
MORGENSTERN
INMERSIÓN EN AGUA
VELOCIDAD DE ALTERACIÓN
OTROS
INMERSIÓN DESECACIÓN CRISTALIZACIÓN
CRISTALIZACIÓN DE SALES HIELO / DESHIELO
DUSSEALT
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La durabilidad o alterabilidad es la resistencia de la roca frente a los procesos de alteración. Se evalúa mediante el ensayo de sequedad-humedad-desmoronamiento sequedad-humedad-desmoronamiento (slake durability test ) que consiste en someter al material después de fragmentarlo a ciclos de 10 minutos de humedad-sequedad-desmoronamiento. El Índice de durabilidad ID es el % de roca , en peso seco, que queda retenido en el tambor después de uno o dos ciclos. La clasificación estándar se realiza a partir del valor ID2 : Durabilidad
% peso retenido después de 2 ciclos
Muy alta
> 98
Alta
95-98
Media-alta
85-95
Media
60-85
Baja
30-60
Muy baja
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<30
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Los Ángeles Ensayo de inmersión estática (Duseault)
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Deval y Microdeval
Propiedades físicas y mecánicas de las rocas A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Las propiedades físicas de las rocas son el resultado de su composición mineralógica, fábrica e historia geológica incluyendo los procesos de alteración y meteorización. Estas propiedades físicas o propiedades índice, índice, son las que determinan su comportamiento mecánico. !"#$%&'('&) '& %'&+,-.(.%/+ 0 .1()%-.(.%/+
I#.9#$'2'3% .'%*0,)36'2, MH(0'2, B /*A/70,
234#'#) '& '&4&"5%+(.%/+
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Composición mineralógica, fábrica, textura, tamaño de grano, color color.. - Además Además de una descripción descripción a escala macroscópica, macroscópica, con frecuencia frecuencia es necesario un análisis a escala microscópica, mediante preparación de lámina delgada, microscopía óptica o electrónica, difracción de rayos X, etc. Porosidad Es la relación entre el volumen de huecos y el volumen total de la roca, expresado en %.N = (V v/V)100% Es la propiedad que más afecta a las propiedades resistentes y mecánicas ya que: - La concentración de esfuerzos causada sobre las paredes de los poros reduce la resistencia. - La reducción del área de sustentación disminuye la resistencia. -Los poros pueden estar llenos de agua u otro líquido, que puede colaborar en la propagación de la ruptura por concentración de esfuerzos. La porosidad es, por tanto, inversamente proporcional a la densidad y a la resistencia y directamente proporcional a la deformabilidad. o La porosidad, en general, decrece con la profundidad y con la edad de las rocas. o Para su determinación se emplean ensayos de laboratorio (ver recomendaciones de la ISRM) o El intervalo de variación es muy grande, desde valores de 0,1 % que presentan rocas como basaltos, diabasas, pizarras o cuarcitas hasta valores entre 5- 20 % de areniscas y calizas y valores intermedios de 10-15 % de las andesitas. o
Otros conceptos relacionados son: Porosidad eficaz: es la relación entre el volumen de poros interconectados respecto del total. Se obtiene a partir de los pesos pesos seco y saturado de de la muestra ne = (Wsat – Wseco)/V Índice de huecos: Relación entre el volumen de huecos y el de las partículas sólidas e = V v/Vsol Grado de saturación: Relación entre el volumen de agua contenida en los poros y el volumen de huecos. Se expresa en %. SR = (Vw/Vv)100% o
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Peso específico (unidades de fuerza) : Peso por unidad de volumen. Densidad (unidades Densidad (unidades de masa) : Masa por unidad de volumen. A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
! =
m/V
en donde " es la densidad natural, m la masa de la muestra y V su volumen. Cuando la muestra se ha desecado en una estufa estufa a 110º 110º C, se denomina densidad seca !s =
ms /V s
! p =
m p /V p
Como el volumen seco engloba el de las partículas y el de los poros, para determinar la densidad de las partículas se ha de moler una determinada masa de muestra y medir su volumen con la ayuda de un picnómetro. siendo
"p la
densidad de las partículas, mp la masa de la muestra y V p el volumen de las partículas
El contenido de agua de la muestra es la relación entre la masa masa de agua que se evapora a 110ºC 110ºC y la masa de muestra seca: % de humedad = (mH/ms)100 Permeabilidad Es la capacidad de permitir el paso de un fluido a través de la roca. Normalmente es pequeña ya que la filtración se produce a favor de los poros interconectados o las fisuras. La permeabilidad de la matriz rocosa no suele coincidir con la del macizo rocoso, en el que la presencia de discontinuidades influyen de manera muy importante en su valor. k, expresado en m/s, cm/s ó m/día, determinado Se mide mediante el coeficiente de permeabilidad k, en laboratorio mediante el permeámetro. k = q l #/A(pi-po) en donde: q = volumen de fluido que pasa a través de la muestra # = viscosidad del fluido a la temperatura del ensayo l = longitud longitud de la muestra ; A = superficie de la muestra muestra pi y po = presión del fluido a la entrada y salida en la muestra respectivamente.
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Propiedades mecánicas de las rocas Conceptos previos: Resistencia: Esfuerzo que puede soportar la roca en determinadas condiciones de deformación.
Resistencia de pico ( pico ("p): El esfuerzo máximo que se puede alcanzar.Se produce para la deformación de pico. Resistencia residual ( residual ("r ): Valor al que cae la resistencia, en algunasrocas, para deformaciones elevadas.
La resistencia no es un valor único, único, depende de muchos factores: Intrínsecos:
Tipo de roca Alteración (variación de c y #) Microfisuración (historial)
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Extrínsecos: A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
resistencia: -Tipo de resistencia:
- Comp Compresión resión unia uniaxial xial - Tracción uniaxial - Tracción brasileña - Carga puntual - Flexión simple - Compresión biaxial - Compresión triaxial - Compresión triaxial genuina - ...
ensayo. -Tipo de ensayo. - Condiciones del ensayo: ensayo:
- Respecto a la muestra - respecto al aparato de ensayo - respecto al procedimiento
La resistencia a compresión simple es la más característica y frecuentemente medida: En la matriz rocosa, con determinación directa con testigos y ensayos; en el macizo, con determinación no directa mediante criterios empíricos. Los valores presentan una gran variabilidad debido a los factores enumerados anteriormente
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Resistencia a compresión simple o resistencia uniaxial: $c = F/A El ensayo de resistencia resistencia a compresión compresión se realiza colocando una muestra de roca en una prensa. En este ensayo también se pueden medir deformaciones de la roca y, por tanto, se puede obtener el módulo de elasticidad estático (Young) E y el coeficiente de Poisson !. El módulo de Young se puede determinar: a) Módulo medio: Pendiente de la parte recta de la curva cu rva b) Módulo tangente: Pendiente de la curva en un punto determinado (50% de la resistencia) c) Módulo secante : Pendiente de la recta que une el origen con la resistencia de pico. Son más representativos los dos primeros (suelen coincidir) También se puede estimar a partir de sencillos ensayos de campo como el esclerómetro (martillo de Schmidt) o en laboratorio con el ensayo de carga puntual (PLT)
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Esclerómetro o Martillo de Schmidt
Se obtiene la resistencia a compresión simple por correlación con la dureza superficial, obteniéndose esta por el rebote de una maza al golpear la superficie del material:
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Ensayo de carga puntual (Point Load o Franklin) A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
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Condiciones que deben cumplir las probetas:
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Formas de rotura válidas:
Dirección de la carga en rocas anisótropas:
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Resistencia a tracción: Es el máximo esfuerzo que la roca puede soportar frente a esfuerzos de tracción. A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
De acuerdo con la ISRM su valor se determina con dos ensayos: método directo y ensayo brasileño El método directo consiste en someter a esfuerzos de tracción una muestra cilíndrica sujeta por sus extremos. El problema de este ensayo es conseguir una buena adhesión de la muestra con las cabezas de tracción
F
F
Por ello se suele utilizar más el ensayo brasileño:
En donde: P = carga de rotura
RTB = Resistencia a tracción
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c (MPa)
!
> 200 200 - 60 60 - 20 20 - 6 6-2 2 - 0,6 < 0,6
ROCA DE RESISTENCIA MUY ALTA ALT AL TA MEDIA BAJA MUY BAJA TRANSICIÓN SUELO
Clasificación ingenieril ISRM (78) “ “ “ “ Romana (81) “
ROCA
La resistencia a compresión simple varía mucho, no solo de una roca a otra sino dentro de una misma roca:
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ANFIBOLITA ARENISCA CALIZA DIABASA GRANITO MARGA MICAESQUISTO PIZARRA SAL YESO
C (Mpa) 210 – 520 4 – 320 4 – 330 120 - 500 10 – 300 3 – 197 20 – 65 27 - 320 21 – 35 45 - 150
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Parámetros de deformación dinámicos Las constantes elásticas dinámicas de una roca se pueden determinar en laboratorio, a partir de las ondas elásticas, longitudinales P y transversales S. La velocidad de estas ondas está en función de otros parámetros de la roca, como la densidad, porosidad, fracturación, coeficiente de Poisson, módulo de elasticidad dinámico, etc.
1
1
)E &2 1 # ! d V p = ' d " $ ( * (1 + !d ) " (1 # 2 " !d ) %
)E &2 1 Vs = ' d " $ ( * 2 " (1 + !d ) %
! d
Ed
=
2
# " V p "
=
R 2
$2
2 " (R 2
$ 1)
(1 $ 2 " ! d ) " (1 + ! d ) (1 $ ! d )
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R =
Ed
V p 2 Vs
=
2"
V p Vs
=
2 " # " Vs2 " (1 + ! d )
(1 # ! d ) (1 # 2 " ! d )
Se define el índice de calidad IQ (%): A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
IQ(%)
V
=
l 100% ! * V l
Siendo: Vl = velocidad de transmisión real de la muestra. Vl* = velocidad de transmisión en el material sin poros ni fisuras
Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha propuesto un ábaco IQ – porosidad que porosidad que sirva de base para la clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración:
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Tensión y Deformación de las rocas Conceptos Generales
1. Co Conc ncep epto to de re resi sist sten enci ciaa 2. Rotura 3. Re Rela lacio cione ness tensi tensión ón – defo deform rmac ació ión n 4. Co Comp mpor orta tamie mient ntos os reo reoló lógi gico coss 5. Cr Crit iter erio ioss de re resi sist sten enci ciaa 6. Efecto escala
Resistencia: Recordemos que se ha definido como el esfuerzo que puede soportar la roca bajo Resistencia: ciertas condiciones de deformación y que, por tanto, no es un valor único.
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Rotura: Cuando la roca no Rotura: Cuando no puede soportar las fuerzas aplicadas, alcanzando alcanzando el esfuerzo el valor de "p. (Simplificación que no siempre ocurre). A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Este proceso no suele coincidir con el inicio de la formación de planos de fractura (aunque la rotura va acompañada de la aparición de planos de fractura a través de la roca) Cuando se generan planos de separación en la roca, al romperse los enlaces entre partículas se produce la fractura (pérdida de cohesión, sólo fricción). La dirección de los planos de fractura depende de:
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Mecanismos de rotura: A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
El proceso de rotura en rocas es más complicado que en suelos, ya que engloba varios tipos de fenómenos e intervienen numerosos factores. Se pueden establecer cinco mecanismos básicos de rotura:
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Ejemplos: A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Rotura a compresión de un pilar.(Iglesia paleocristiana excavada en tobas volcánicas en Capadocia, Turquía)
Rotura por cortante en un talud
Rotura por tracción Rotura por flexión (Embalse Contreras)
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Relaciones tensión-deformación Tipos de rotura A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Si al aplicar una carga la deformación de la roca supera la resistencia de pico, la deformación también lo hace y entonces pueden ocurrir los siguientes tipos de comportamiento: 1.- Frágil: Frágil: Rápida y violenta. Pérdida casi instantánea de resistencia. r esistencia. Propia de rocas duras y resistentes. 2.- Frágil-Dúctil (parcialmente frágil): Después de alcanzar grandes deformaciones, la resistencia decrece hasta un cierto valor valor.. Característico de rocas blandas poco resistentes. 3.- Dúctil: La deformación aumenta, mientras que la resistencia es constante, es decir predominan las deformaciones plásticas no recuperables, Típico de rocas blandas como las sales.
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Ya vimos que a partir del estudio de las curvas de parámetros:
E
! =
"
ax
=
"
Modulo de Young
ax
" #
=
t
=
Coef. de Poisson
ax
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–
de los ensayos se pueden determinar una serie
Otro parámetro importante es el límite elástico (yield point) A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
"y:
Rocas Roc as de de comp comport ortami amient ento o frági frágil:l:
"y y "p próximos
Rocas Roc as de comport comportami amient ento o dúctil: dúctil:
"y <<< "p
Es muy importante la diferencia "p – "y , pues marca la capacidad de seguir soportando cargas, una vez superado el límite elástico, sin sufrir deformaciones inadmisibles.
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En rocas blandas, a partir de "y un pequeño incremento de carga, puede dar lugar a la rotura progresiva definitiva aunque aunque la carga permanezca constante y sin alcanzar alcanzar la resistencia de pico, debido deb ido a : - paso del tiempo (reología) - procesos de meteorización. El comportamiento elástico o plástico, depende de: "
Propiedades intrínsecas de la roca
"
Condiciones de aplicación de los esfuerzos: • Temperatura • Presión del agua • Presión de confinamiento ("3).
Influencia de la presión de confinamiento ("3): Se denomina presión de transición frágil-dúctil, al valor de "3 para el que el comportamiento pasa de frágil a dúctil, comportándose la roca plásticamente, produciéndose deformaciones sin aumentar el esfuerzo. Habitualmente es un valor muy alto a cotas normales, pero en rocas arcillosas o evaporíticas es < 20 Mpa a temperatura ambiente.
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Comportamiento Reológico A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
En determinados determinados tipos de rocas el tiempo tiempo puede ser un factor factor importante en las deformaciones. deformaciones. Se pueden considerar dos tipos fundamentales de comportamiento comportamiento reológico: (creep): Aumento de las deformaciones frente - Fluencia (creep): Aumento frente a esfuerzos constantes. constantes. - Relajación : Disminución de la resistencia bajo deformaciones constantes. El ejemplo más claro de fluencia son las sales: deformación lenta y continua, dependiente del tiempo y del contenido de humedad (comportamiento viscoso). Al aplicar una carga carga inicial algunas rocas sufren una deformación deformación elástica inmediata seguida seguida de un proceso de creep primario (I), y así, n funnción funnción del tiempo se pueden llegar llegar a producir: I – Creep primario
(Transient creep)
II – Creep Creep secun secundario dario ( Steady state creep)
III – Creep terciario creep).
Accelerating ( Accelerating
Fases de la deformación en función del tiempo
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Criterios de resistencia A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
El comportamiento mecánico de los materiales rocosos depende fundamentalmente de: - Resistencia Las fuerzas aplicadas dan lugar a un estado de esfuerzos: definido por las tensiones principales ( 1; 2; 3) - Fuerzas aplicadas
Las rocas rompen por un esfuerzo diferencial, cumpliéndose que, a una relación entre la las tensiones principales le corresponde una determinada deformación
Por tanto, para un macizo isótropo y homogéneo, conocida dicha relación se podría predecir, para un determinado estado de tensiones, el comportamiento del material rocoso. Como es evidente, en la práctica esto se produce en muy pocas ocasiones, por lo que es difícil establecer la Ley de comportamiento: comportamiento:
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Ley de comportamiento: comportamiento: Relación entre los componentes del esfuerzo que indica el estado de deformaciones que sufre el material.
En teoría, una ley de comportamiento debería servir para poder predecir: - El valor de "p. (Resistencia de pico) - El valor de "r .(Resistencia residual) - El valor de "y. (Límite de elasticidad) - El inicio de la generación de fracturas. - Las deformaciones sufridas. - La energía del proceso de rotura y deformación.
Dada la imposibilidad, en la práctica, de obtener éstas leyes, se ha extendido el uso de una serie de criterios de rotura o de resistencia (tanto para rocas como para macizos rocosos), determinados empíricamente empíricamente a partir de experiencias y ensayos de laboratorio.
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Criterios:
RESISTENCIA = f( 1,
2,
3,
ki)
De resistencia de pico, ~ fáciles de medir
de plasticidad o límite de elasticidad, etc, !
parámetros representativos de las rocas o de los macizos
Pero también pueden expresarse criterios en base a otros parámetros
Resistencia = f( 1, 2, 3, ki) Resistencia = f(energía liberada, ki)
Habitualmente se expresan los criterios de rotura en función de las tensiones principales o de las tensiones normal y tangencial:
!
1
=
f (!2 , !3 , k i ) "
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=
ó
!
f (!n , k i )
1
=
f ( !3 , k i )
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Uno de los criterios más habituales, tanto para suelos como para rocas es el criterio lineal de Mohr-Coulomb (propuesto a finales del S XVIII):
Aunque en Mecánica de Rocas suelen ser más adecuados los criterios no lineales: Habrá estados tensionales que serán estables (no rotura) en cualquier criterio (punto 1 de la figura) pero si existe presión intersticial se desplazará al punto 2 , estable con criterio lineal e inestable con el no lineal.
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Efecto escala A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
La determinación de las propiedades de la matriz rocosa, de las discontinuidades y del conjunto de ambas, el macizo rocoso, lleva consigo un grado de incertidumbre debido a la variabilidad de dichas propiedades, que dependerá generalmente de: #
Heterogeneidad
(puntos ensayados)
#
Anisotropía
(dirección considerada)
#
Efecto escala
(volumen involucrado).
La extrapolación de los resultados de los ensayos a la escala del macizo sólo puede considerarse válida si el volumen de la muestra ensayada es representativo del conjunto. (También (También hay que tener en cuenta a qué escala hay que extrapolar los resultados, es decir, el volumen del macizo que es afectado por la actuación de Ingeniería: p.e. no será lo mismo la cimentación de un poste, que la excavación de un pequeño talud superficial, o el apoyo del estribo de una gran presa bóveda). Según la ISRM existe efecto escala cuando conjuntos de muestras del mismo “
universo con diferentes tamaños muestran distribuciones estadísticas con diferentes parámetros para una misma propiedad ”
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Sobre la base de resultados experimentales se ha observado que, para una propiedad determinada, a partir de un cierto volumen de la muestra, los resultados son independientes del mismo; dicho volumen es el más pequeño considerado representativo del comportamiento del macizo para esa propiedad y se denomina:
VER (volumen elemental representativo)
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de una propiedad a otra El VER: - puede variar de - es muy difícil establecerlo - suele ser demasiado grande para ensayos razonables de laboratorio. “
”
- para muestras inferiores al VER, aunque no varíen los valores medios, si que aumenta la dispersión (serán necesarios más ensayos para la misma fiabilidad) f iabilidad) El efecto escala, debido a su complejidad, no está suficientemen suficientemente te estudiado . El efecto escala afecta a: $
La matriz rocosa
$
Las discontinuidade discontinuidadess
$
El macizo rocoso
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!
Efecto escala en la matriz rocosa
El efecto escala en la matriz rocosa se debe a:
• Heterogeneidad mineralógica • Variabilidad de la alteración • Heterogeneidad estructural Algunas consecuencias del efecto escala en la matriz: La resistencia a compresión simple decrece con el tamaño de la muestra. "
El módulo de deformación medio es independiente del tamaño, pero las desviaciones disminuyen con el aumento del volumen de la muestra. "
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! A Í R E I N E G N I N E L A A C I N N O I C C É T A O N E R E G T N I O D A M O L P I D
Efecto escala en las discontinuidade discontinuidadess
El efecto escala en las discontinuidades depende fundamentalmente de la rugosidad de las superficies y del área considerada. Según Bandis et al (1983) y Cunha (1990), al aumentar el tamaño: La resistencia de corte de pico, %p, disminuye. " La resistencia residual se mantiene. " La curva esfuerzo-deformación varía de frágil a dúctil. " El deslizamiento tangencial de pico aumenta. " La rigidez tangencial (k) disminuye. " La dispersión de valores de % y k disminuye. "
El efecto escala en las discontinuidades: • Es mayor cuanto mayor es la rugosidad. • Disminuye al aumentar la escala de ensayo. • Puede llegar a ser nulo si los esfuerzos normales sobre la discontinuidad son muy elevados
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!
Efecto escala en el macizo Cuanto mayor es el volumen de macizo considerado más importante es el papel que juegan las discontinuidades en cuanto a su resistencia y deformabilidad. "
La resistencia a compresión se reduce con el aumento de tamaño de macizo considerado. "
La deformabilidad media es independiente del tamaño, pero con él disminuye la dispersión de los valores. "
La deformabilidad también depende del grado de fracturación, aumentando con dicho grado. "
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