la mecánica de rocas

7/31/2019 La mecnica de rocas

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La mecnica de rocas

1. Conceptos generales1

.

La problemtica de la ingeniera mecnica en todos los diseos estructurales es la prediccin del

comportamiento de la estructura bajo las cargas actuantes o durante su vida til. La temtica de la

ingeniera de mecnica de rocas, como una prctica aplicada a la ingeniera de minas, es

concerniente a las aplicaciones de los principios de la ingeniera mecnica al diseo de las

estructuras de roca generadas por la actividad humana.

Esta disciplina est estrechamente relacionada con las corrientes principales de la mecnica clsica y

de la mecnica de materiales, pero hay varios factores especficos que la identifican como un campo

distinto y coherente de la ingeniera.

Una amplia definicin de la mecnica de rocas es la que ofreci el US National Comite on Rock

Mechanics en 1964 y subsecuentemente modificada en 1974:

La mecnica de rocas es la ciencia terica y prctica del comportamiento mecnico de las rocas y de

los macizos rocosos; es la rama de la mecnica referente a la respuesta de la roca y del macizo

rocoso a los campos de fuerza de su ambiente fsico.

Como se define la temtica, es de fundamental importancia para la ingeniera ,por que el acto de

crear excavaciones, cambia los campos de fuerza del ambiente fsico de la roca. El estudio de la

respuesta de la roca a estos cambios requiere de la aplicacin de tcnicas analticas especficamente

desarrolladas para dicho propsito, los cuales ahora forman parte de la temtica. La mecnica de

rocas forma parte de la amplia temtica de la geomecnica que se enfoca a la respuesta mecnica de

todos los materiales geolgicos, incluyendo los suelos. La erudita sociedad de geomecnica en

Australia, La Australian Geomechanics Society, define a la geomecnica como la aplicacin de

principios geolgicos y de ingeniera al comportamiento de los suelos, del agua subterrnea y al uso

de estos principios a la ingeniera civil.

Esta definicin de geomecnica es casi sinnimo del trmino ingeniera geotcnica, la cual es

definida como la aplicacin de la ciencia de mecnica de suelos, mecnica de rocas, ingeniera

geolgica y de otras disciplinas relacionadas a la construccin en ingeniera civil, las industrias de

extraccin y a la preservacin y mejora del ambiente (Anon, 1999). El termino ingeniera

geotcnica y el adjetivo geotecnia ser usado de igual manera es este texto.

Los principios de aplicacin de la mecnica de rocas est basada en premisas simples y quizs

evidentes en s. Primero, se postula que a un macizo rocoso se le puede atribuir un sistema de

propiedades mecnicas que pueden ser medidas en una prueba estndar o se que pueden ser

estimados utilizando tcnicas establecidas. En segundo lugar, se afirma que el proceso de la

explotacin minera subterrnea genera una estructura rocosa con huecos, elementos de soporte,


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Estas ideas pueden ser algo elementales. Sin embargo, incluso la aplicacin limitada de los

conceptos de mecnica en la excavacin y en los diseos estructurales es una innovacin

comparativamente reciente (Hood y Brown, 1999).

1.2 Complejidades inherentes en la mecnica de rocas.

Se ha observado que la mecnica de rocas representa un juego de principios, un cuerpo de

conocimiento y varios procedimientos analticos relacionados al campo general de la mecnica

aplicada. La pregunta que surge es: qu problemas mecnicos se presentan en los medios

geolgicos, suficientes para justificar la formulacin o el reconocimiento de una disciplina

coherente, dedicada de la ingeniera?.

1.2.1 Fracturas en la roca.

La fractura en los materiales convencionales de ingeniera ocurren en un campo de tensin, algunas

teoras sofisticadas han postulado la explicacin del comportamiento antes de la falla y despus de la

falla del material. Los campos de esfuerzos que se encuentran en estructuras rocosas son de

compresin, as que las teoras establecidas no son inmediatamente aplicables a la fractura en la

roca. Existe una complicacin peculiar en la roca referente a la compresin que est asociada con la

friccin del movimiento que se genera entre las superficies de las microfracturas, las cuales son los

lugares donde se originan las fracturas.

Esto causa que la resistencia de la roca sea altamente sensible a esfuerzos de confinamiento, y

genera dudas concernientes a la relevancia de los principios de normalidad, flujos asociados y la

teora plstica en general dentro de los anlisis de esfuerzos y deformaciones antes de la falla en las

propiedades de la roca. Un problema relacionado es el fenmeno de la localizacin, en el cual la

ruptura en un medio rocoso se expresa como la generacin de uniones debidas a la intensa

deformacin de cortante, separando los mbitos del material rocoso aparentemente sin alterar.

1.2.2 Efectos de la escala.

La respuesta de la roca a cargas impuestas muestra un efecto pronunciado en el tamao o escala de la

carga. Este efecto es relacionado en parte a la naturaleza discontinua de los macizos rocosos. Las

uniones y otras fracturas de origen geolgico estn presentes en los cuerpos rocosos, y de esta

manera la resistencia y las propiedades de deformacin de los macizos rocosos estn influenciadas

tanto por las propiedades del material rocoso (por ejemplo, la continuidad del macizo rocoso) y la

variacin en las caractersticas estructurales. Estos efectos se pueden apreciar considerando varias


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El proceso de la barrenacin generalmente refleja las propiedades de la resistencia de la roca intacta,

puesto que el proceso funciona induciendo fracturas al material rocoso debajo de la herramienta de

perforacin. Minando un cuele en roca con uniones puede reflejar las propiedades del sistema de

uniones. En este caso, la seccin final de la abertura estar definida por el comportamiento de las

uniones. El comportamiento de la roca en la periferia de la obra puede reflejar la presencia depequeos bloques de roca, en los cuales la estabilidad est definida por la friccin y por otras fuerzas

actuando sobre su superficie. En una escala ms grade, por ejemplo un pilar, las uniones del macizo

pueden demostrar las propiedades de pseudo continuidad. Los efectos de escala se pueden ver de una

manera esquemtica en la figura 1.1.

Figura 1.1 El efecto de la escala en la respuesta de la roca debida a cargas impuestas: a) falla de un material rocoso debido a la

barrenacin, b) Las discontinuidades controlan la forma final de la excavacin, c) un pilar de mina opera de una forma pseudo

continua.

Estas consideraciones sugieren que las especificaciones de las propiedades mecnicas de un macizo

rocoso no tienen simple importancia. En particular, la inverosmil posibilidad de hacer pruebas en

especmenes de rocas con uniones, a una escala suficiente para representar la continuidad

equivalente satisfactoriamente, indica la necesidad de postular y verificar mtodos de sintetizar las

propiedades del macizo rocoso para sus elementos constitutivos.

1.2.3 Resistencia a la tensin1

.

Las rocas se distinguen de todos los dems materiales comunes de ingeniera, a excepcin del

concreto, por su baja resistencia a la tensin. Los especmenes de roca probados en pruebas de

tensin uniaxial han fallado a esfuerzos muy bajos en comparacin a los valores obtenidos en las

pruebas a la compresin simple (UCS). Debido a que las uniones y otras fracturas ofrecen poca o

nula resistencia a la tensin, la resistencia a la tensin en un macizo rocoso puede asumirse como

nula. La implicacin de esta propiedad en diseos de excavaciones en roca es que ninguna zona

identificada por el anlisis ser sujeta a esfuerzos de tensin, en la prctica, des tensionarla, y causar

re distribucin de esfuerzos locales. La des tensin puede dar como resultado una inestabilidad en la

roca, lo cual se ver reflejado en desprendimiento espontneo o progresivo de la roca.


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1.2.4 Efectos del agua subterrnea

El agua subterrnea puede afectar el comportamiento mecnico de las rocas en dos sentidos. El msobvio es el que ocurre en la operacin de la ley del esfuerzo efectivo. El agua bajo presin en las

uniones que definen bloques reduce el esfuerzo normal efectivo entre las superficies de las rocas y

por lo tanto reduce la potencial resistencia al corte. En las rocas porosas, como la arenisca, la ley del

esfuerzo efectivo tiene un comportamiento igual que al de suelos granulares. El efecto de fisuras o

poros de agua bajo presin reducen el esfuerzo ultimo del macizo, en comparacin con las

condiciones que se presentan cuando se colocan drenes.

Un efecto ms sutil del agua subterrnea sobre las propiedades mecnicas de las rocas puede surgir

de la accin nociva del agua en determinadas rocas y minerales. Por ejemplo, la arcilla se muestra

suave en presencia de agua, reduciendo el esfuerzo y aumentando la deformabilidad del macizo

rocoso. Las rocas argilizadas, como las pizarras y las areniscas argilizadas, tambin demuestran una

marcada reduccin en la resistencia de los materiales seguida de infusin en el agua ( infusin.-

accin de introducir en agua caliente ciertas sustancias orgnicas para extraer de ellas las partes

solubles).

La implicacin de los efectos del agua subterrnea en la resistencia del macizo rocoso es muy

considerable. Puesto que el comportamiento de la roca se pude determinar por su ambientegeohidrolgico, puede ser esencial en algunos casos mantener un control de las condiciones del agua

subterrnea en el rea del tnel.

1.2.5 Intemperismo.

El Intemperismo se puede definir como la alteracin fsica o qumica de la superficie de la roca

debido a las reacciones con los gases atmosfricos y soluciones acuosas. El proceso es anlogo a los

efectos de la corrosin en materiales convencionales. El inters ingenieril del Intemperismo se

genera debido a su influencia en las propiedades mecnicas del material intacto, as como la

potencialidad del efecto significativo del coeficiente de friccin en la superficie de la roca. Parece

que mientras el Intemperismo causa una reduccin constante en las propiedades de la roca, el

coeficiente de friccin de una superficie puede sufrir una reduccin (Boyd, 1975).

A pesar de que los procesos fsicos como el ciclo termal y la insolacin pueden ser importantes en la

minera a tajo abierto, el proceso del Intemperismo subterrneo es en su mayor parte de origen

qumico. Esto incluye disolucin y el fenmeno de cambio de iones, oxidacin e hidratacin.Algunos efectos del Intemperismo son fcilmente apreciables, como la disolucin de calizas en un


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minerales como el olivino y piroxenos. La hidrlisis produce montmorilonita, la cual es una arcilla

expansiva con un comportamiento mecnico especialmente intratable.

Esta discusin no identifica todos los trminos a considerar. Sin embargo, es claro que este tema (el

Intemperismo) trasciende el dominio de la mecnica aplicada tradicional y necesita incluir un

nmero de temas que no tienen que ver con ninguna otra disciplina de la ingeniera.

1.3 Minera subterrnea.

La extraccin de minerales mediante minera subterrnea envuelve la generacin de diferentes tipos

de aberturas, con un considerable rango de funciones. En una mina convencional se puede tener:

tiros, niveles de acarreo, contra frentes, cruceros de extraccin, cmaras de bombeo, tiros de

ventilacin y entradas de aire que constituyen desde accesos a la mina hasta excavaciones para

servicios. Su vida til es comparable o en ocasiones excede la vida del depsito por ser minado y

normalmente este tipo de obras se lleva a cabo en las tablas del depsito (roca estril). Las obras de

servicio y las de operaciones directamente asociadas con la recuperacin del mineral que consisten

en cruceros de extraccin, frentes, contra pozos de acceso y metaleras, desde donde o en los cuales

se lleva a cabo varias operaciones de produccin. Estas obras se llevan a cabo en la zona

mineralizada o en zonas estriles cercanas al depsito mineral y su vida til est limitada a la

duracin de la actividad del minado en su vecindad inmediata. Muchas obras van siendo eliminadas

conforme se va minando. En obras subterrneas en las que se encuentran en el depsito mineral.

Puede ser un rebaje, con unas tablas bien definidas formando los limites geomtricos del hueco

minado, el cual aumenta de tamao conforme se va minando. Alterno a esto puede ser que el rebaje

tal vez tenga relleno de fragmentos con unos lmites pobremente definidos, que normalmente

coinciden con los lmites del depsito. Las zonas fragmentadas son generadas por disgregacin

inducida. La vida til de cualquier tipo de estas obras (rebajes) est definido por la duracin de la

actividad de la extraccin del mineral.

Independientemente del sistema de minado subterrneo que se adopte para la extraccin de mineral,

es posible especificar cuatro objetivos comunes de la mecnica de rocas para una buena ejecucin de

la estructura del minado, y para los tres tipos de obras subterrneas que se describieron

anteriormente. Estos cuatro puntos son:


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Asegurar la estabilidad total de la estructura completa de la mina, definida porlos rebajes y los huecos minados, mineral por minar y la roca estril adyacente;

Proteger las obras principales de servicio de principio a fin segn la vida tilcon la cual se diseo.

Proveer de accesos seguros a lugares de trabajo seguros, tanto en las zonas deproduccin y como en sus alrededores.

Preservar las condiciones de minado para las reservas sin minar.Es instructivo definir las diferencias significativas en operaciones referentes a excavaciones

subterrneas diseadas para propsitos de ingeniera civil y aquellas excavaciones envueltas en

la prctica de la ingeniera de minas sujetas a la entrada del personal de la mina. En el ltimo

caso, el uso de cualquier obra est enteramente bajo control de los operadores de la mina. Y

durante su uso activo la superficie de la excavacin est sujeta a la virtual inspeccin continua

del personal de la mina. Los trabajos de mantenimiento o de restauracin de las condiciones de

seguridad alrededor de las obras subterrneas, tienen rangos que van desde el soporte hasta

mtodos de soporte y refuerzo, que se pueden realizar en cualquier momento, bajo la direccin

del departamento de operacin o de planeacin de la mina.

Estas operaciones raramente se ven en las obras enfocadas a la ingeniera civil. Otra grandiferencia es que la mayora de las excavaciones con propsitos mineros tienen una vida til

significativamente menor que aquellas excavaciones usadas para propsitos de ingeniera civil.

No es de sorprender, por lo tanto, que el diseo de una excavacin minera refleje el grado de

control inmediato sobre la utilizacin de la excavacin, mediante inspecciones, mantenimiento

y el soporte que pueda ofrecer la operacin en la mina.

1.4 Estabilidad de taludes como una rama de la ingeniera.

Debido a la naturaleza discontinua de la roca, el diseo de taludes estables es en mucho tantoarte como ingeniera aplicada. La experiencia es importante as como un apropiado uso de las

teoras de mecnica de rocas y mecnica de suelos, geologa estructural e hidrologa.

Actualmente existen muchos software disponibles para diseo de taludes, pero es importante

que los ingenieros que manejen este software comprendan la teora bsica de la estabilidad de

taludes en roca (o inestabilidad) antes de que intenten utilizar algn mtodo computarizado,

especialmente antes de que intenten interpretar y aplicar los resultados.

El campo de la ingeniera civil utiliza muchos principios de la mecnica de suelos para el

anlisis de la estabilidad de taludes. Este campo tiene ms que ver con cortes de taludes en

suelos sueltos, granulares o materiales sin consolidar. Los anlisis se utilizan principalmente

para:

Cimentaciones, construcciones o desplantes de presas.

Cortes en caminos.

Corte y recubrimientos en tneles. Canales de irrigacin. Presas de jales.

Patios de desperdicios (waste dumps).


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El diseo de cortes en roca para obras de ingeniera civil tales como carreteras o lneas de

ferrocarril son normalmente relacionados a la geologa estructural. Esto es, la orientacin y

caractersticas (como la longitud, rugosidad y materiales de relleno) de las uniones, la

estratificacin y fallas que ocurren detrs de la cara de la roca.

Para muchos cortes en obras de ingeniera civil, los esfuerzos en la roca son mucho menores

que la resistencia de la roca, esto tiene que ver un poco con las fractura que puede ocurrir en la

roca. Por consiguiente, el diseo de taludes es principalmente relacionado con la estabilidad de

los bloques de la roca formados por discontinuidades. La resistencia de la roca intacta, es

indirectamente utilizada en el diseo de taludes, relacionado a la resistencia al cortante de las

discontinuidades y del macizo rocoso, as como a los mtodos de excavacin y a los costos. La

figura 1.3 muestra algunas condiciones geolgicas y su influencia en la estabilidad e ilustra los

tipos de informacin que es importante para poder disear.


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Figura 1.3 Influencia de las condiciones geolgicas en la estabilidad de cortes en roca: a) potencialmente inestable, las

discontinuidades estn a favor de la cara del talud; b) Talud estable, la cara excavada es paralela a las discontinuidades;

c) talud estable, las discontinuidades tiene un echado hacia adentro de la cara del talud; d) Falla por volcamiento de

bloques que se encuentran con una inclinacin pronunciada hacia la cara del talud; e) Intemperismo de estratos de

pizarra en donde sobresalen los estratos de la arenisca ms resistente; f) potencial falla a lo largo de una superficie

circular poco profunda, en fracturas muy cercanas y roca dbil

Los taludes a) y b) muestran condiciones tpicas de rocas sedimentarias, como las areniscas y

las calizas que contienen estratificaciones, en donde el deslizamiento puede ocurrir si la

inclinacin de los estratos es ms pronunciada que el ngulo de friccin de la superficie de la

discontinuidad.

En el ejemplo a) los estratos cortan la cara del talud y los bloques pueden deslizarse debido a la

estratificacin, en el ejemplo

b) La cara coincide con la estratificacin y la cara es estable.


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c) la mayora de la cara del talud es tambin estable por que la principal discontinuidad tiene un

echado hacia la cara del talud. No obstante, hay algn riesgo de inestabilidad de los bloques

superficiales formados por la concentracin de familias de uniones que estn inclinadas hacia

fuera de la cara del talud, particularmente si ha sufrido daos debido a los explosivos utilizados

durante la construccin.

d) La principal familia de fracturas tiene una inclinacin hacia dentro de la cara del talud pero

con un ngulo ms pronunciado que forma una serie de tablas delgadas que pueden fallar por

volcadura de bloques (topping) donde el centro de gravedad de los bloques queda fuera de su

base.

e) Muestra una tpica estratificacin horizontal de una secuencia de arenisca-pizarra en donde la

pizarra sufre ms rpidamente un proceso de Intemperismo que el que ocurre en la arenisca que

forma una serie de rocas que salen de la cara del talud y que pueden caer bruscamente debido a

esfuerzos verticales que acten en las uniones.

f) Est cortado en roca dbil que contiene espaciamientos cercanos pero uniones de baja

persistencia lo cual no forma una superficie contina de deslizamiento. Si se realiza un talud lo

suficientemente inclinado en este macizo rocoso puede fallar a lo largo de de una superficie

circular poco profunda parcialmente en las uniones y a travs de la roca intacta.

1.4.1 Estabilidad de taludes en la ingeniera de minas.

El campo de la ingeniera de minas, en el otro lado de la estabilidad de taludes, utiliza

fundamentalmente principios de la mecnica de rocas para analizar la estabilidad de taludes en

cortes rocosos.

La ingeniera de la estabilidad de taludes en roca es la aplicacin de los principios de la

mecnica de rocas y los principios de la geologa estructural. Esto incluye no solo los anlisis

cinticos (kinetics) (posibles modos de falla) y anlisis cinemtico (estabilidad de los modos de

falla) (kinematics) sino que tambin incluye anlisis probabilsticos, mtodos de estabilizar los

taludes, anlisis de aguas subterrneas, recoleccin de datos geolgicos, mtodos de monitoreo

de taludes, etc.


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Los tres componentes principales del diseo de taludes para un tajo abierto son los siguientes

(Figura 1.4).

Figura 1.4 Geometra tpica del talud de un tajo abierto mostrando la relacin entre ngulo total del talud, ngulo de la

rampa interna, geometra de los bancos.

Primero, el ngulo de reposo (ngulo total) del talud del tajo desde la cresta hasta el pie,

incluyendo todas las rampas y bancos. Este puede ser un talud mixto, con un talud poco

pronunciado en materiales superficiales y dbiles, y con un talud ms pronunciado en una roca

ms competente en las zonas ms profundas. Aunado a esto, el ngulo del talud puede variar

alrededor del tajo para acomodar tanto a la geologa y la disposicin de las rampas. Segundo, el

ngulo de la rampa interna es el talud o taludes que se encuentran entre cada rampa que

depender del numero de rampas y de sus respectivos espesores. Tercero, el ngulo de la cara

de cada banco depende del espaciamiento vertical entre bancos, o bancos mltiples

combinados, y el ancho de los bancos requiere contener cadas menores de roca.

Algunos factores que influyen en el diseo de los taludes, es la altura, la geologa, la resistencia

de la roca, la presin del agua subterrnea y el dao provocado por los explosivos a la cara del

talud. Por ejemplo, por cada avance hacia atrs (push-back?), la profundidad del tajo se

incrementara y puede que se requiera un disminucin correspondiente al ngulo total del talud.

Tambin, para taludes por donde pasa una rampa, el ngulo del talud deber tener menos

pendiente para disminuir los riesgos de fallas que dejen inhabilitada la rampa, a diferencia de

los taludes que no tienen rampas y donde se pueden tolerar algunos tipos de inestabilidad.


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Estos estudios se llevaron a cabo para los dos tipos de taludes tanto en tajos abiertos (Sjberg,

1999), como para taludes naturales y artificiales en China (Chen, 1995). Como es de esperarse,

si los taludes no fueran escogidos de acuerdo a la geologa, habra una pequea relacin entre la

altura y el ngulo para los taludes estables. Sin embargo, la clasificacin de los datos de

acuerdo al tipo de roca y a la resistencia de la roca muestra una razonable correlacin entre la

altura del talud y el ngulo para cada clasificacin.

Apuntes de Mecnica de Rocas Ing. R. Horacio Pez L. Universidad Autnoma de Chihuahua Facultad

de Ingeniera, Minas y Metalurgia

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