CAPITULO 3: MECÁNICA DE ROCAS

CAPITULO 3:  MECÁNICA DE ROCAS

3.2 Propiedades físicas y mecánicas de los materiales rocosos

Características del medio rocoso.

El estudio de la mecánica de sólidos asume generalmente un comportamiento homogéneo, continuo, isótropo, elástico y lineal que los materiales rocosos no presentan.

La diferente composición química de los agregados heterogéneos de cristales y partículas amorfas que forman las rocas representa la escala más pequeña en el estudio de la variabilidad de las propiedades; los poros, microfisuras, recristianizaciones, etc. Imprimen un carácter discontinuo y no lineal, y la desigual distribución de los minerales y componentes rocosos configura un medio heterogéneo. También la alteración y meteorización por procesos físicos y químicos modifica la composición de las rocas, apareciendo nuevos minerales con propiedades diferentes.

Propiedades físicas de la matriz rocosa.

Existen una serie de parámetros que se emplean para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades básicas de las rocas y permiten, así mismo, establecer una primera clasificación con fines geotécnicos. Estas propiedades índice, serían las que determinen en primera instancia junto con la composición mineralógica y la fábrica, las propiedades y el comportamiento mecánico de la matriz rocosa.

Las propiedades físicas o propiedades índice de las rocas se determinan en laboratorio; las más importantes a nivel de influencia en el comportamiento mecánico son:

La porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los huecos o poros de al roca y el volumen total. Es la propiedad que más afecta a las características resistentes y mecánicas, siendo inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad y directamente proporcional a la deformabilidad.

El peso específico o peso unitario depende de sus componentes, y se define como el peso por unidad de volumen.

La permeabilidad es la capacidad de transmitir agua de una roca. La mayoría de las rocas presentan permeabilidades bajas o muy bajas. La filtración y el flujo de agua atravez de la matriz rocosa se produce a favor de los poros y fisuras dependiendo de la permeabilidad de la interconexión entre ellos y otros factores.

La durabilidad es la resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración propiedad a la que también se alude como alterabilidad, definiéndose en este caso como la tendencia a la rotura de los componentes o de las estructuras de la roca.

La resistencia a la compresión simple es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinada sobre una probeta cilíndrica sin confinar. El valor de la resistencia aporta información sobre las propiedades ingenieriles de la roca.

La velocidad de propagación de ondas elásticas al atravesar la roca depende de la densidad y de las propiedades elásticas del material y su medida aporta información sobre algunas características como la porosidad.

Clasificación de las rocas con fines geotécnicos.

Las clasificaciones geológicas o litológicas son fundamentales en ingeniería geológica ya que aportan información sobre la composición mineralógica, la textura y la fábrica de las rocas, así como sobre la isotropía o anisotropía  estructural en rocas de determinado origen, como es el caso de rocas masivas frente a rocas laminadas o foliadas.

Sin embargo las clasificaciones litológicas no son suficientes en ingeniería geológica, en cuanto que litologías similares pueden presentar grandes variaciones en sus propiedades físicas y mecánicas, como por ejemplo la resistencia. Además no aportan información cuantitativa sobre sus propiedades.

Clasificación de los macizos rocosos

Las clasificaciones de los macizos rocosos están basadas en alguno a varios de los factores que determinan su comportamiento mecánico:

Propiedades de la matriz rocosa

Frecuencia y tipo de discontinuidades, que define el grado de fracturación el tamaño y la forma de los bloques, sus propiedades hidrogeológicas, etc.

 Grado de meteorización o alteración

Estado de tensiones in situ

Presencia de agua.

La gran variabilidad de estos factores y el carácter discontinuo y anisótropo de los macizos rocosos implica la dificultad para establecer clasificaciones geotécnicas o geomecánicas generales válidas para los diferentes tipos de macizos. Las clasificaciones más útiles en mecánica de rocas son las denominadas clasificaciones geomecánicas, de las cuales la RMR de Bieniawski y la Q de Barton son las más utilizadas. Establecen diferentes grados de calidad del macizo en función de las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades, y proporcionan valores estimativos de sus propiedades resistentes globales..

Meteorización de los materiales rocosos

• Procesos de meteorización

La meteorización es la desintegración y/o descomposición de los materiales geológicos en superficie. El término incluye todas aquellas alteraciones de carácter físico o químico que modifican las características y propiedades de los materiales. Los procesos de meteorización de las rocas dan lugar finalmente a los suelos.

Los procesos de meteorización están controlados por las condiciones climáticas y sus variables de temperatura, humedad, precipitaciones, régimen de vientos, etc. Que determinan el tipo y la intensidad de las transformaciones físicas y químicas que afectan a los materiales rocosos en superficie.

Las acciones de origen físico producen fracturación mecánica. Las más importantes controladas por el clima y la humedad son: formación de hielo, insolación, formación de sales, hidratación, capilaridad.

Los procesos químicos se dan en presencia de agua y están controlados por la temperatura. Estas acciones dan lugar a la formación de nuevos minerales o compuestos a partir de los existentes. Las más importantes son: disolución, hidratación, hidrólisis, oxidación y reducción.

• Meteorización de la matriz rocosa

La meteorización física de la matriz rocosa da lugar a exfoliación por planos de direcciones preferentes, apertura de microdiscontinuidades por hielo o por crecimiento de sales, cambios de volumen por cambios de humedad o temperatura, etc. La meteorizacion química produce disolución de minerales solubles y la formación de nuevos minerales por procesos de oxidación y reducción. Los resultados de la meteorizacion química van desde la decoloración de la matriz rocosa a la descomposición de los silicatos y otros minerales.

El agua subterránea

• Permeabilidad y flujo de agua

Las rocas los suelos y el agua son los tres elementos naturales que constituyen el medio geológico. El agua fluye atravez de los suelos con mayor o menor velocidad. En función de que la roca tenga o no capacidad para transmitir agua, se denomina permeable o impermeable, dependiendo de su porosidad y de la interconexión entre los poros.

• Efectos sobre la propiedades de los macizos rocosos

El agua coexiste con las rocas e influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas. Los efectos más importantes son:

Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados

Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas

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 caminos preferentes para el fujo de 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 cambios en la composición del agua.

3.3 Tensiones y deformaciones de las rocas

Fuerzas y tensiones

Las rocas a diferencia de los materiales artificiales como el acero o el concreto, presentan defectos estructurales debido a la variación en la composición mineralógica, orientación de minerales, porosidad y microfisuración, grado de alteración, etc.

La aplicación de nuevas fuerzas o la modificación de la magnitud o distribución de las preexistentes, da lugar a cambios en el estado mecánico de los sistemas rocosos, produciéndose una serie de efectos internos como desplazamientos, deformaciones y modificación del estado tensional o de esfuerzos.

Las fuerzas superficiales se clasifican en compresivas (positivas) y distensivas o tracciónales (negativas), representadas respectivamente por vectores apuntando hacia dentro o hacia fuera del punto de aplicación.

Tensiones sobre un plano

Si se asume un material continuo y homogéneo sometido a un campo de fuerzas uniforme y se considera un cuadrado de área infinitesimal en reposo, los esfuerzos resultantes sobre las caras del cuadrado o, lo que es lo mismo, las fuerzas por unidad de área ejercidas por el material circundante sobre las caras del cuadrado, deben estar en equilibrio. En cada cara actúa una componente normal y una tangencial.

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