Clase 1 - Fundamentos de Geomecánica
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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
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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.
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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
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COPORTAMIENTOS ESFUERZO-DEFORMACIÓN
Tomado de Karzulovic (2001)
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Tomado de Karzulovic (2001)
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Tomado de Karzulovic (2001)
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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).
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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
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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.
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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
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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.
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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
Tomado de Karzulovic (2001)