clase 1 - fundamentos de geomecánica

Fundamentos de Geomecánica Departamento de

Ingeniería en Minas

1 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

Cristian Orrego B. / 2do Semestre 2014

PROGRAMACIÓN

• 28-08: Introducción

• 04-09: Esfuerzos Planos

• 11-09: Ayudantía Esfuerzos Planos

• 18-09: Fiestas Patrias

• 25-09: Esfuerzos en tres dimensiones

• 02-10: Análisis de deformación

• 09-10: Teoría de Elasticidad y Soluciones Elásticas

• 16-10: PEP 1





CAPÍTULO I : INTRODUCCIÓN

1. ¿QUÉ ES LA MECÁNICA DE ROCAS? Una definición ampliamente aceptada de mecánica de rocas, es la ofrecida por el US National

Committee on Rock Mechanichs en 1964, y subsiguientemente modificada en 1974:

Mecánica de Rocas es una ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la roca y de

los macizos rocosos, es una rama de la mecánica preocupada por la respuesta de la roca y de los

macizos rocosos al campo de fuerzas y su ambiente físico.

La mecánica de rocas forma parte de la geomecánica, la cual esta preocupada de la respuesta

mecánica de todos los materiales geológicos, incluyendo los suelos.

La mecánica es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su

evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas.

2. OBJETIVOS DE LA MECÁNICA DE ROCAS

Caracterización del Comportamiento Mecánico de la Roca Intacta, Discontinuidades Geológicas y

Macizo rocoso.

Análisis de Esfuerzo, Deformaciones y Energía Almacenada para Macizos Rocosos en condiciones

Estáticas y/o dinámicas.

Diseño y Evaluación de Estabilidad de Excavaciones Superficiales y/o Subterráneas en el Macizo

Rocoso.





Material Isotrópico

r (q) = r0 q

Material Direccional

r = r (q)

Material Anisotrópico

r1 r (q) r2

TIPOS DE MATERIAL & MODELOS GEOMECÁNICOS

q r

r 1 r 1

r 2

r 1

r 2

r 1

r 2

Material Homogéneo

Material Heterogéneo

Material Continuo Material Discontinuo

Modificado de Karzulovic (2001)

3. MACIZO ROCOSO COMO UN MATERIAL





COPORTAMIENTOS ESFUERZO-DEFORMACIÓN

Tomado de Karzulovic (2001)





4. DEFINICIONES

ROCA INTACTA

VOLUMEN DE ROCA DE TAMAÑO “PEQUEÑO” PERO

REPRESENTATIVO DE LA PETROFÁBRICA DE LA ROCA

CONSIDERADA, SIN MOSTRAR IRREGULARIDADES NI DEFECTOS

TALES QUE INFLUYAN EN SU COMPORTAMIENTO MECÁNICO

“PROPIO”, ESPECIALMENTE EN LO QUE DICE RELACIÓN CON LA

CINEMÁTICA DE SU RUPTURA.

SE ENTIENDE COMO VOLUMEN “PEQUEÑO” EL DE UNA PROBETA

TÍPICA DE LABORATORIO, O SEA DEL ORDEN DE 10-4 A 5-3 m3

(PROBETAS DE 42 A 150 mm DE DIÁMETRO Y DE 84 A 300 mm DE

ALTO).

SE ENTIENDE POR IRREGULARIDADES LA PRESENCIA DE

CUERPOS QUE PUEDAN AFECTAR EL COMPORTAMIENTO

MECÁNICO DE LA PROBETA (POR EJEMPLO CLASTOS DE TAMAÑO

GRANDE, AMÍGDALAS, VETILLAS, ESTRUCTURAS SELLADAS,

ETC.)

SE REFIERE A LOS BLOQUES DE ROCA NO FRACTURADOS QUE SE

GENERAN ENTRE DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES EN UN

MACIZO ROCOSO. ESTOS TROZOS O PEDAZOS DE ROCA PUEDEN

IR DESDE UN RANGO DE POCOS CENTÍMETROS A VARIOS METROS

EN TAMAÑO Y SU COMPORTAMIENTO GENERALMENTE ES

ELÁSTICO E ISOTRÓPICO; HOEK, KAISER Y BAWDEN (1998).





POR DEFECTOS SE REFIERE A HUECOS, FRACTURAS U OTRO TIPO DE DISCONTINUIDADES

EN LA MATERIA ROCOSA (POR EJEMPLO: POROS, VESÍCULAS, FRACTURAS,

ESTRUCTURAS ABIERTAS, ETC.).

RESPECTO A LA DEFINICIÓN DE “ROCA INTACTA’’ ES CONVENIENTE NOTAR LO SIGUIENTE:

INCLUYE ROCAS ALTERADAS, POR LO QUE UN “MISMO TIPO’’ DE ROCA INTACTA

INCLUYE NO SÓLO EL MISMO TIPO DE ROCA (LITOLOGÍA), SINO QUE TAMBIÉN EL

MISMO TIPO Y EL MISMO GRADO DE ALTERACIÓN.

ESTÁ IMPLÍCITAMENTE ASOCIADA AL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL VOLUMEN DE

ROCA CONSIDERADO.

LA ROCA INTACTA ES, EN GENERAL, HOMOGÉNEA PERO, DEPENDIENDO DE SU

PETROFRÁBICA, PODRÁ SER ISOTRÓPICA O ANISOTRÓPICA





ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS

DISCONTINUIDADES PLANAS QUE ATRAVIESAN

LA ROCA Y CUYA GENÉSIS ESTÁ ASOCIADA A

UNO O MÁS PROCESOS GEOLÓGICOS. PUEDEN

SER DE DISTINTOS TIPOS: LAMINACIONES,

PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN, FISURAS,

DIACLASAS, FALLAS, ETC. PUEDEN ESTAR

ABIERTAS O SELLADAS. SU PRINCIPAL

CARACTERÍSTICA ES QUE CONSTITUYEN

PLANOS DE DEBILIDAD O DE MENOR

RESISTENCIA QUE LA ROCA. USUALMENTE, EN

EL MACIZO ROCOSO APARECEN AGRUPADAS EN

FAMILIAS O SISTEMAS. SU EXTENSIÓN O

PERSISTENCIA PUEDE VARIAR MUCHO Y

DEPENDIENDO DEL VOLUMEN QUE INTERESE ,

ALGUNAS PODRÁN TRTATARSE EN FORMA

ESTADÍSTICA MIENTRAS QUE OTRAS DEBERÁN

CONSIDERARSE INDIVIDUALMENTE.





MACIZO ROCOSO

VOLUMEN IMPORTANTE DE ROCA QUE SE ENCUENTRA INTERSECTADO, TOTAL Y/O

PARCIALMENTE, POR ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS; LAS CUALES DEFINEN NUMEROSOS

“SUB-VOLÚMENES” O “BLOQUES DE ROCA” QUE, EN CONJUNTO, CONFORMAN EL MACIZO

ROCOSO. POR LO TANTO, PUEDE SEÑALARSE QUE EL MACIZO ROCOSO ESTÁ

CONFORMADO POR UN CONJUNTO DE BLOQUES (LOS MÁS PEQUEÑOS CORRESPONDEN A

“ROCA INTACTA”), CUYAS GEOMETRÍAS Y DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS QUEDA DEFINIDA

POR LAS ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS. LUEGO, PARECE EVIDENTE QUE EL

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL MACIZO ROCOSO DEPENDERÁ DE LOS SIGUIENTES

FACTORES:

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS BLOQUES QUE LO CONSTITUYEN (ROCA INTACTA)

PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS DEL MACIZO ROCOSO

INTERACCIÓN DEL CONJUNTO DE BLOQUES





Cunha, A. P. (1990): “Scale Effects in Rock Mechanics”

Volumen de Roca Ensayado

Pro

pie

da

d M

ed

ida

EFECTO DE ESCALA

CORRESPONDE AL CAMBIO QUE EXPERIMENTAN LAS MAGNITUDES DE LAS PROPIEDADES DE

UNA MUESTRA DE ROCA EN LA MEDIDA QUE AUMENTA EL VOLUMEN O TAMAÑO DE LA MISMA.





MACIZO ROCOSO

A ESCALA “ 1”

( 100 m3 < Vol < 101 m3 )

PROBETA DE

ROCA INTACTA

MACIZO ROCOSO

A ESCALA “ 2”

( 101 m3 < Vol < 102 m3 )

MACIZO ROCOSO

A ESCALA “ 0”

( 10-1 m3 < Vol < 100 m3 )

AUMENTA

EL EFECTO

DE ESCALA


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