resistencia y deformabilidad de roca
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MECANICA DE ROCAS
RESISTENCIA Y
DEFORMABILIDAD DE ROCAS
Ing. Juan Fredy CALLA FERNANDEZ
2014
INTRODUCCION
El comportamiento mecánico de las rocas está definido por su
resistencia y su deformabilidad.
La resistencia, como se ha definido anteriormente, es el
esfuerzo que soporta una roca para determinadas
deformaciones.
Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin
confinar se denomina resistencia a compresión simple, y su
valor se emplea para la clasificación geotécnica de las rocas.
La resistencia es función de las fuerzas cohesivas y
friccionales del material (además de otros factores extrínsecos
al material rocoso.
La cohesión c, es la fuerza de unión entre laspartículas minerales que forman la roca.
El ángulo de fricción interna Φ, es el ángulo derozamiento entre dos planos de la misma roca,para la mayoría de las rocas éste ángulo varíaentre 25° y 45°. La fuerza friccional depende delángulo de fricción y del esfuerzo normal σactuando sobre el plano considerado.
La resistencia de la roca no es un valor único,ya que además de los valores de c y Φ, dependede otras condiciones, como la magnitud de losesfuerzos confinantes, la presencia de agua enlos poros o la velocidad de aplicación de lacarga de rotura.
También, incluso en rocas aparentementeisótropas y homogéneas, los valores de c y Φpueden variar según el grado de cementación ovariaciones en la composición mineralógica.
CRITERIOS DE ROTURA
La resistencia de la matriz rocosa isótropa
se puede evaluar mediante los criterios de
rotura de Mohr-Coulomb y de Hoek y
Brown.
La principal diferencia entre ambos es que
el primero es un criterio lineal y el segundo
no lineal, más adecuado al comportamientomecánico real de las rocas.
Criterio de Mohr-Coulomb
Este criterio expresa la resistencia al
corte a lo largo de un plano en un estado
triaxial de tensiones, obteniéndose la
relación entre los esfuerzos normal y
tangencial actuantes en el momento de la
rotura mediante la expresión matemática
CIRCULO DE MOHR COULOMB
Efectos de la anisotropía y de la presión
de agua en la resistencia.-
Cuando la roca presenta anisotropía, suresistencia compresiva para un mismo estado deesfuerzos varía según el ángulo β (β= 90 - θ)entre la dirección de los planos de anisotropía yla dirección de la carga aplicada, pudiendopresentar valores muy diferentes.
Las rocas anisótropas son difíciles de ensayarpor la variabilidad de su resistencia, siendonecesarios numerosos ensayos para obtenerparámetros representativos de todo el rango deresistencia.
La presión intersticial en la matriz rocosa porosadisminuye su resistencia, al actuar esta presiónen contra de la tensión normal que se opone a larotura, cumpliéndose el principio de la tensiónefectiva:
Esto sólo afecta a rocas porosas permeables,que permiten la entrada de agua y pueden llegara saturarse. Muchas de las rocas puedenconsiderarse prácticamente impermeables,aunque bajo condiciones de presencia de agua,la saturación es cuestión de tiempo.
El criterio de Mohr-Coulomb implica que tiene lugar una
fractura por corte al alcanzarse la resistencia de pico del
material. La gran ventaja de este criterio es su sencillez.
Sin embargo presenta inconvenientes debido a que:
• Las envolventes de la resistencia en roca no son
lineales; se ha comprobado experimentalmente que la
resistencia de las rocas aumenta menos con el
incremento de la presión normal de confinamiento que
lo obtenido al considerar una ley lineal, lo que puede
implicar errores al considerar los esfuerzos actuantes,
sobre todo en zonas de bajos esfuerzos confinantes.
- La dirección del plano de la fractura según este criterio
no siempre coincide con los resultados experimentales.
- El criterio sobrevalora la resistencia a la tracción.
No obstante, si se utiliza este criterio lineal derotura, para evaluar la resistencia de la matrizrocosa, se pueden adoptar las siguientesrecomendaciones:
- Suponer que el valor de la cohesión es unvalor próximo al 10% de la resistencia acompresión simple de la matriz rocosa.
- Adoptar un valor del ángulo de rozamientointerno según el nivel de tensiones con el quetrabaja, tomado de ensayos específicos o detablas.
CRITERIO DE HOEK Y BROWN
El propuesto por Hoek y Brown (1980) es uncriterio empírico de rotura no lineal valido paraevaluar la resistencia de la matriz rocosaisótropa en condiciones triaxiales:
Donde σ1, y σ3 son los esfuerzos principalesmayor y menor en rotura, σci, es la resistencia acompresión simple de la matnz rocosa y mi esuna constante que depende de las propiedadesde la matnz rocosa.
DEFORMABILIDAD
La deformabilidad es la propiedad que tienela roca para alterar su forma comorespuesta a la actuación de fuerzas.
Según sea la intensidad de la fuerzaejercida, el modo en que se aplica y lascaracterísticas mecánicas de la roca, ladeformación será permanente o elástica; eneste último caso el cuerpo recupera suforma original al cesar la actuación de lafuerza.
Ensayos de laboratorio deresistencia y deformabilidad .-Los métodos experimentales para determinar laresistencia y la deformabilidad de las rocas sonindependientes del criterio de rotura adoptadoen cada caso; su finalidad es establecer lasrelaciones entre los esfuerzos y lasdeformaciones durante el proceso de carga yrotura, los esfuerzos a que está sometida la rocaen el momento de la rotura y sus parámetrosresistentes.
Estos métodos son los ensayos de laboratoriode compresión uniaxial, compresión triaxial ytracción.
RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD
DE MACIZOS ROCOSOS
La resistencia de los macizos rocosos es función de la
resistencia de la matriz rocosa y de las
discontinuidades, siendo ambas extremadamente
variables, y de las condiciones geoambientales a las
que se encuentra sometido el macizo, como las
tensiones naturales y las condiciones hidrogeológicas.
La presencia de zonas tectonizadas, alteradas o de
diferente composición litológica, implica zonas de
debilidad y anisotropía con diferentes
comportamientos y características resistentes.
Estas circunstancias determinan una gran complejidad
en la evaluación de la resistencia de los macizosrocosos.
Comportamiento y propiedades resistentes del Macizo Rocoso
Según el grado de fracturación del macizo, sucomportamiento y propiedades resistentesquedarán definidas por:
• La resistencia de la matriz rocosa (isótropa oanisótropa).
• La resistencia al corte de una familia dediscontinuidades.
• La resistencia al corte de 2 ó 3 familias dediscontinuidades (siempre que seanrepresentativas en el macizo).
• La resistencia global de un sistema de bloquesrocosos con comportamiento isótropo.
OBTENCIÓN DE L AS CONSTANTES m, s y α
Con el fin de ampliar el rango de aplicación delcriterio generalizado, sobre todo a macizos rocosos demala calidad, y emplear parámetros más geológicospara la evaluación de su resistencia, Hoek (1994) yHoek et al, (1995) han propuesto un índice geológico
de resistencia, GSI (geological strength index), que
evalúa la calidad del macizo en función del grado y lascaracterísticas de la fracturación, estructura geológica,
tamaño de los bloques y alteración de lasdiscontinuidades.
El valor de GSI = 25 es arbitrario. Para
GSI > 25 (macizos de media a muy buena
calidad) este índice puede obtenerse a
partir del RMR, mediante la correlación
siguiente, en cuyo caso debe asignarse
un valor de 15 para las condiciones de
agua del macizo y un valor de 0 al
parámetro de ajuste para la orientación
de las discontinuidades:
Deformabilidad de los macizos rocosos
La deformabilidad de un macizo rocoso viene dadapor las relaciones entre los esfuerzos aplicados y lasdeformaciones producidas, y queda definida por sumódulo de deformación, que relaciona la tensión oesfuerzo con la deformación correspondiente.
La deformabilidad, al igual que las demáspropiedades de los macizos, presenta un carácteranisótropo y discontinuo, por lo que sudeterminación resulta compleja, siendo uno de losproblemas sin resolver adecuadamente en mecánicade rocas
Métodos para la Evaluación de la
Deformabilidad
Los métodos para la evaluación de ladeformabilidad del macizo se puedenclasificar en directos e indirectos.
En el primero (directos) se incluyen losensayos in-situ, mientras que el segundogrupo (indirectos) incluye los métodosgeofísicos y una serie de correlacionesempíricas.
Influencia de las discontinuidades en la deformabilidad del macizo
Conforme se considera un mayor volumen demacizo rocoso, se permite a lasdiscontinuidades jugar un papel más importanteen su resistencia y deformabilidad, del macizoserá función del espaciado de las juntas, condimensiones varias veces superiores a éste.
La resistencia a compresión, al igual que ocurrecon otras propiedades del macizo, se reduce conel incremento del tamaño de la muestra,tendencia similar a la de la matnz rocosa y a lade las discontinuidades
CONCLUSION
La deformabilidad del macizo rocoso
depende del grado de fracturación y de
las propiedades deformacionales de las
discontinuidades y de la matriz rocosa.
Al aumentar la intensidad de fracturación
aumenta la deformabilidad del macizo,
debido a la influencia de un número
creciente de discontinuidades.
GRACIAS POR
SU ATENCION