Introducción Introdu cción a la mecánica de rocas
Dra. Silvia Loaiza Ambuludí
[email protected] Universidad Técnica Particular de Loja 1
Plan de Curso 1. Introducción a la mecánica de rocas rocas
1.1. Conceptos generales de mecánica de rocas 1.2. Historia y aplicaciones de la mecánica de rocas 1.3. Diferencias básicas entre la mecánica de rocas y suelos 1.4. Las rocas como materiales y como parte de los macizos rocosos 1.5. Propiedades físicas de los materiales rocosos 2. Propiedades mecánicas de las rocas rocas y de las discontinuidades discontinuidades
2.1. Características mecánicas de las rocas 2.2. Resistencia de las rocas y ensayos de laboratorio 2.3. Caracterización de las discontinuidades 3. Comportamiento Comportamiento y clasificación geomecánica de los macizos macizos rocosos
3.1. Estado de tensión en los macizos rocosos 3.2. Criterio de rotura de Mohr-Coulomb 3.3. Criterio de rotura de Hoek-Brown 3.4. Clasificaciones geomecánicas de los macizos rocosos Mecánica de Rocas
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Plan de Curso 4. Técnica écnicass de proyecci proyección ón estere estereogr ográf áfica ica
4.1. Introducción y conceptos básicos 4.2. Proyección de líneas y planos 4.3. Diagrama de densidad de polos 4.4. Dirección de los esfuerzos principales 5. Aplicacio Aplicaciones nes de la mecánica mecánica de rocas
5.1. Análisis cinemático en taludes 5.2. Refuerzos de taludes 5.3. Análisis cinemático de excavaciones subterráneas
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Sesión 1: Contenidos
1. Intr Introdu oducci cción ón a la la mecáni mecánica ca de roca rocass
1.1. Conceptos generales de mecánica de rocas 1.2. Historia y aplicaciones de la mecánica de rocas
1.3. Diferencias básicas entre la mecánica de rocas y suelos 1.4. Las rocas como materiales y como parte de los macizos rocosos 1.5. Propiedades intrínsecas intrínsecas y extrínsecas de los materiales rocosos
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Sesión 1: Resultado de aprendizaje
Los estudiantes al término de la clase estarán en la capacidad de comprender las definiciones generales de la mecánica de rocas que permita la comprensión de planteamientos y conceptos referentes al comportamiento mecánico.
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1.1. Conceptos Generales de mecánica de rocas
Mecánica: Geología:
Cubre el conocimiento de las fuerzas y de sus efectos.
Ciencia natural e histórica. Describe los materiales que constituyen la corteza terrestre. Estudia la génesis y las transformaciones de estos materiales.
Roca:
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Material sólido Originado por procesos naturales Constituido por partículas minerales enlazadas entre si por las fuerzas de interacción molecular o por substancias cementantes.
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1.1. Conceptos Generales de mecánica de rocas Mecánica de Rocas:
Es la ciencia teórica y aplicada que estudia las respuestas de las rocas y de los macizos rocosos frente al campo de fuerzas ejercidas por su entorno físico. Comité Americano de Mecánica de Rocas, 1974
“Aquí tenemos la verdadera esencia de esta disciplina: una compleja mezcla de la mecánica pura, la idiosincrasia de la naturaleza y la determinación de la humanidad” J.Hudson, 1993
“Más que una ciencia, la mecánica de rocas es un arte, en el sentido fuerte del arte de construir…” Comité Francés de Mecánica de Rocas, 2000
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Definiciones básicas
ROCA INTACTA
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Definiciones básicas Hudson y Harrison, 1995: CHILE: Continous, Homogeneous, Isotropic & Linear-Elastic DIANE: Discontinous, Inhomogeneous, Anysotropic & Non-Elastic
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1.2. Historia y aplicaciones de la mecánica de rocas
1.2.1. Historia
Aplicación en la minería de forma empírica.
1556: George Agrícola “De Re Metalica”
1907: Francisco de P. Hermosa “Manual de Laboreo de Minas”
1951: Congreso en Lieja (Bélgica).
1957: J. Talobre “La Mecanique de Roches: Appliquée aux travaux Publics ”
1963: Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas en Lisboa, organizada por Manuel Rocha
1964: Conferencia del Comité Internacional de Grandes Represas.
1967: Comité Francés de Mecánica de Rocas.
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1969: J.C.Jaeger y N.G.W. Cook “Fundamentals of Rock Mechanics”
1974: Hoek y Bray “Rock Slope Engineering ”
A mediados de los 70: Clasificaciones geomecanicas (RMR y Q).
1980: Hoek y Brown “Underground Excavations in Rock”
1985: Brady y Brown “Rock Mechanics for Underground Mining ”
1993: Hudson “Comprehensive Rock Engineering ”
2000 y 2001: Métodos numéricos, los códigos FLAC, UDEC.
2000: Comité Francés de Mecanica de Rocas “Manuel de Mécanique des roches: Tome 1 – Fondements”
2004: Comité Francés de Mecanica de Rocas “Manuel de Mécanique des roches: Tome 2 – Les Applications”
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Surgimiento de la mecánica de rocas 1959, falla la cimentación de la presa bóveda de Malpasset, en Francia,
(alrededor de 450 muertos). 1963, deslizamiento en la presa de Vajont (Italia)
provoca la total destrucción, aguas abajo, de la población de Longarone, (alrededor de 2.000 muertos).
DOS SITUACIONES MUY DIFERENTES CON DOS PUNTOS EN COMÚN:
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AMBAS ESTÁN PROYECTADAS POR LOS INGENIEROS MÁS PRESTIGIOSOS Y COMPETENTES DE SUS RESPECTIVOS PAISES. EN NINGUNO DE LOS CASOS FALLA LA ESTRUCTURA EN SÍ.
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Catástrofe de Malpasset La presa se calculó mediante el método del trial loads como un emparrillado de cinco arcos horizontales y 11 ménsulas verticales.
Río Reyran Altura: 60 m Longitud: 190,5 m Espesor: (6,78 – 1,5 m) Capacidad: 50 hm3 Uso: riego y abastecimiento (turismo, costa azul) Proyectista: André Coyne Mecánica de Rocas
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Catástrofe de Malpasset Año
Mes/día
1946
1952
Abril
1954
Octubre 19 Noviembre 2 Diciembre
1959
2 de Diciembre
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Hora
Estudio geológico, incompleto por falta de fondos. Cementación: gneis, roca metamórfica impermeable Comienza la construcción Final de la construcción Se escuchan ruidos de fractura que no se identifican 50 cm de lluvia en dos semanas, 13 cm en las 24 horas anteriores al colapso. Filtraciones en la margen derecha. Nivel de agua 28 cm del labio del aliviadero. El encargado pide abrir desagües pero se rechaza la petición por temor a daños en las obras de la autopista A8 Se abren los desagües 3 18:00 40 m /s, caudal insuficiente. Se rompe la presa Ola inicial de 40 m de altura y 72 km/h de 21:13 velocidad Se destruyen las aldeas de Malpasset y Bozon Llega a Fréjus con una altura de 4 m y 21:33 sigue su camino hasta el mar.
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Catástrofe de Malpasset
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Catástrofe de Malpasset El proyecto fue sometido a riguroso examen tras la rotura, se comprobó que:
La presa había sido construida con buen hormigón, los ensayos demostraron que el hormigón tenía resistencia de compresión entre 330-530 kg/cm 2 y E=210.000 a 300.000 kg/cm 2. Se calcularon tracciones y compresiones máximas y mínimas en el hormigón, por el empuje hidrostático con las diferentes combinaciones obtenidas del hormigón y la roca y se llegaron a tracciones y compresiones máximas de +10kg/cm 2 y -60kg/cm2 respectivamente.
En conclusión, la comisión investigadora dió por válidas las cifras y se aceptó que la estructura estaba correctamente proyectada, A. Coyne quedaba limpio de culpa. Mecánica de Rocas
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Catástrofe de Malpasset El estudio se encaminó entonces hacia otra posible causa, que era la cuenca, supieron entonces, que:
Los trabajos de hidrología y geología de la cuenca habían sido insuficientes por falta de fondos. Se habían limitado a cotas superficiales. Se admitía que la cuenca era impermeable. Se asumía la elasticidad de la roca. La única acción realizada durante la construcción de la presa había sido su tratamiento para la cohesión y asegurar el contacto del hormigón-roca. Los valores de los módulos de deformación eran más bajos de los previstos en esa roca, del orden de 3.200 a 18.000 kg/cm 2 (aunque esto no afectaba a la estabilidad del conjunto). La roca sobre la que se asentaba era un gneis del carbonífero que estaba muy fisurado.
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Resultados de la Catástrofe de Malpasset
423 muertos de los cuales: 27 no identificados 135 niños de menos de 15 años 15 adolescentes de 15 a 21 años 134 hombres adultos 112 mujeres adultas
79 huérfanos.
951 inmuebles afectados de los cuales 155 enteramente destruidos.
1350 hectáreas de terrenos agrícolas afectados de los cuales 1030 hectáreas destruidas en su totalidad.
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Vista actual de la presa de Malpasset. Mecánica de Rocas
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Aplicaciones. ¿Por qué es importante el estudio de la mecánica de rocas? Minería
Mina de hierro a cielo abierto (Mauritania, Africa)
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Mina Dolphin (isla King, Tasmania, Australia)
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Aplicaciones Energía
Represa de Katse (Reino de Lesoto, sur de África)
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Represa hidroeléctrica de Yacyretá-Apipé (Paraguay - Argentina, América del Sur)
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Aplicaciones Infraestructura
Torre Burj Dubái (Dubái, Emiratos Árabes Unidos)
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Estación de metro La Concorde (Paris, Francia)
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Aplicaciones Transporte fluvial
Canal de Corinthe, Grecia
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Aprovechamiento del espacio urbano subterráneo
Piscina subterránea (Helsinki, Finlandia)
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Aplicaciones Ordenamiento territorial
Grieta abierta tras la disolución de yeso en el subsuelo (Bargemon, Francia)
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Asentamiento de una comunidad al pie de un macizo rocosos de caliza, expuesto a la amenaza de caída de bloques de roca (Bouches du Rhône, Francia)
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Aplicaciones Gestión de deshechos industriales y radioactivos
Galería de acceso, sitio de almacenamiento geológico profundo de residuos radiactivos (Olkiluoto, Finlandia)
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Proyecto de experimentación de almacenamiento profundo de residuos radiactivos (Lorraine, Francia)
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1.3. Diferencias básicas entre la mecánica de rocas y suelos
Los procesos de ruptura En condiciones normales, diferentes campos de tensiones Módulos elásticos y resistencias diferentes Diferentes niveles de permeabilidad Ruptura
Campo de tensiones
Módulos elásticos y resistencias
Permeabilidad
Rocas
Mecanismos de fracturación
Fuertes
Mayores (cientos de veces)
Baja
Suelos
No afecta a los granos individuales
Débiles
Menores
Alta
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Particularidades propias
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Materiales de origen natural ( presencia de discontinuidades) Planos de estratificación
Fallas
Zonas de corte
Diaclasas
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Particularidades propias Planos de foliación o esquistosidad
Contactos litológicos
Venillas
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Particularidades propias
Materiales de origen natural
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Particularidades propias
Fractura de rocas
Bieniawski (1967) Mecánica de Rocas
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Particularidades propias
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Efectos de escala
Resistencia a la tracción Efecto de las aguas subterráneas Meteorización I. Introducción a la Mecánica de Rocas
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1.4. Las rocas como materiales y como parte de los macizos rocosos Dos problemas: 1.
El estudio de las propiedades y fabrica de la roca Perforaciones/excavaciones de investigación Patrón detallado de diaclasamiento Propiedades mecánicas (muestras)
2.
El estudio de las orientaciones y propiedades de las discontinuidades Investigación geológica y geofísica Litologías y tipos de rocas
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Minerales formadores de rocas
« Las Grietas » Galápagos, Ecuador Ecuador
Rocas ígneas Mecánica de Rocas
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Rocas sedimentarias Mecánica de Rocas
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Rocas metamórficas Mecánica de Rocas
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Efectos sobre las propiedades mecánicas:
Anisotropía Orientación preferencial
anisotropía
Orientación aleatoria
isotropía
Tamaño de grano Presencia de vacios
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porosidad/propiedades mecánicas
Planos preferenciales de deslizamiento
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Fabrica de las rocas
Rocas sedimentarias
Bandeamiento Otros: Corrientes de agua Deformación Metamorfismo Recristalización
Aplicaciones en la mecánica de rocas: 1. 2.
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Estudio de material de relleno en fallas y en juntas ampliamente espaciadas. Inferencia de las direcciones de los esfuerzos principales.
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Juntas y fallas Juntas
Tipo mas común de estructura geológica Bajo o ausencia de desplazamiento Mas o menos paralelas y espaciadas regularmente
Juntas mayores
Trazadas por decenas o centenas de metros
Juntas cruzadas
Menor importancia Curvadas y espaciadas irregularmente
Juntas columnares
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Importantes en basaltos
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La naturaleza mecánica de la roca Depende de la escala y del detalle del estudio. A escala mineral
Continuo
A escala de algunos metros a centenares de metros A determinadas escalas y condiciones
Continuo
Discontinuo
Factor más importante: fricción entre las superficies de las discontinuidades Mecánica de Rocas
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1.5.Propiedades físicas de las rocas Internos: a. b. c. d. e.
Composición mineralógica Estado mecánico (erosión, agrietamiento, clivaje) Forma y tamaño de los granos Laminación Porosidad
Externos: a. b. c. d.
Campo sustancial (presencia de líquidos y gases) Campo mecánico (presión) Campo térmico Campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos
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Todas las rocas tienen humedad en uno u otro grado En el macizo rocoso existe la presión, a causa de las capas superiores y la presión de la rocas laterales A grandes profundidades existen temperaturas elevadas En la corteza terrestre se producen campos eléctricos y magnéticos. I. Introducción a la Mecánica de Rocas
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