Mecanica de Rocas UNP

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MECANICA DE ROCAS La Mecánica de Rocas se encarga del estudio teórico y práctico de las propiedades y compo mportamie ien nto mec mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplic plicaadas das en su entor ntorno no fís ísic ico. o. La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejer ej erce cen n sobr sobree el ello los. s.

Los distintos ámbitos de aplicación de la mec mecánic icaa de rocas se agrupan en: 1)Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, gale galería rías, s, talud taludes es,, etc.) etc.).. 2)Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimen mentacion iones de edifi ificios, pres presas as,, etc. etc.). ). 3)Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (escolleras, pedrap pedraplen lenes, es, rellen rellenos, os, etc.). etc.).

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Cuand ando se exc xcav avaa un mac aciizo roco rocosso o se con construye uyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose. El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso ante unas determ erminadas adas condic iciiones permit rmitee ev eval alu uar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructura uras y obras de ingen geniería ía.. La rel relación entre ambos bos par paráme ámetros des esccribe el comportami amiento de los diferen rentes tes tipos de roc rocas y maciz cizos rocos cosos, que depe depend nden en de las las prop propie ieda dade dess físi física cass y mec ecán ánic icas as de los materiales y de las condiciones a que están som sometid etidos os en la natu natura rale leza za..

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

1. La Lito Litologí logíaa y propie propiedad dades es de la la matri matrizz rocosa. 2. La est estru ruct ctura ura geoló geológi gica ca y las las discontinuidades. 3. El esta estado do de de esfu esfuer erzos zos a que que está está sometido el material. 4. El grad grado o de de alte alterac ración ión o mete meteoriz orizaci ación. ón. 5. Las Las condici condicion ones es Hidr Hidrog ogeo eoló lógi gica cas. s.

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METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS

1. PRO PROCES CESOS OS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO

2. PRO PROCES CESOS OS DE METEORIZACION DE ORIGEN QUÍMICO

a) Forma rmación ión de de hielo b) Ins Insola lacción ión c) Forma rmación ión de de sales d) Hi Hid drata ratacción ión

a)Disolución b)Hidratación c)Hidrólisis d)Oxidación y Reducción

e) Ca Cap pil ilaarid ridad

EFECTOS DEL AGUA AGUA SUBTERRANEA S UBTERRANEA SOBRE LAS LA S PROPIEDAD PROPIEDADES ES DE LOS MACIZOS ROCOSOS El agua como material geológico coexistente con las rocas influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas Los efectos más importantes son: •

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Juega un papel importante en la resistencia de las rocas ocas blan blanda dass y de los los mate materi rial ales es mete meteor oriz izad ados os.. Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.

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Los efectos más importantes son: •

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Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia. Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua. Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos rocosos Es un agente erosivo Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la composición del agua

El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y permitir que las piezas de rocas se muevan. En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento de la roca será muy rápido.

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

CLASIFICACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS 1) Propiedades de la matriz rocosa. 2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen: - El grado de fracturación (índice RQD) - El tamaño y la forma del macizo. - Sus propiedades hidrogeológicas. 3) Grado de Meteorización o Alteración. 4) Estado de Tensiones In Situ 5) Presencia de agua

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Dependiendo de sus características y condiciones, la masa rocosa puede variar  de una mina a otra, como también de área en área dentro de una misma mina. Con el paso del tiempo crecen las labores mineras y el minado se realiza a mayores profundidades, desarrollándose así diferentes problemas de inestabilidad en la roca.

Conocer la roca permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

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MATRIZ ROCOSA Es el material rocoso exento de discontinuidades, o bloques de roca intacta que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su microestructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso específico, resistencia y deformabilidad.

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MACIZO ROCOSO Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso. Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos. Prácticamente pueden considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula.

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DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIÓN DESDE LA ROCA INTACTA HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.

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DISCONTINUIDADES Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso. Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del material de relleno. Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

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ANISOTROPIA La presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familia de diaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades y comportamiento mecánico en función de la dirección considerada. También la orientación de los esfuerzos que se ejercen sobre el material rocoso puede implicar  una anisotropía asociada al estado tensional.

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MACIZO ROCOSO

DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA Los principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son:

PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias

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FALLAS Son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.

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

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

PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

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

VENILLAS Son rellenos de las fracturas con otros materiales

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PLIEGUES Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados

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

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PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES ORIENTACIÓN Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia”

de discontinuidades.

ORIENTACION

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ESPACIADO Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

ESPACIADO

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PERSISTENCIA

Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.

PERSISTENCIA

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RUGOSIDAD Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente

RUGOSIDAD

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APERTURA Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.

APERTURA

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

RELLENO

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PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

REPRESENTACION ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada.  Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará condiciones favorables cuando sea excavada.

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Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada. Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada.

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PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA

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

PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES 1. Composición Mineralógica 2. Fábrica, textura 3. Porosidad 4. Peso Específico 5. Contenido de humedad 6. Permeabilidad 7. Durabilidad (Alterabilidad)

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PROPIEDADES MECANICAS 1.Resistencia a la Compresión Simple 2.Resistencia a la tracción 3. Velocidad de propagación de las ondas elásticas 4.Resistencia 5.Deformabilidad

En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influyen además las Características Geológicas: 1) Litológicas 2) Estratigrafía 3) Estructura Geológica 4) Discontinuidades tectónicas o Diagénicas 5) Estados de esfuerzos In Situ

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ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa. Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45 °. Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación, las mismas que presentan inestabilidad.

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En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir   reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.

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Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza paralela a una falla

Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la excavación, las mismas que presentan buena estabilidad.

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El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la excavación

En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña

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Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las condiciones de estabilidad de las excavaciones. En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.

Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina. FIGURA: (a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo de condiciones desfavorables.

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