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TEMA 2. CONTINUACION
PETROLOGIA MECÁNICA DE ROCAS
ROCA-MACIZO ROCOSO
ROCA: es una porción de suficiente entidad de la litosfera
terrestre o de cualquier cuerpo planetario en la que se
mantienen sus propiedades en toda su superficie.
Rocas: son agregados naturales duros y compactos de
partículas minerales con fuertes uniones cohesivas
permanentes que habitualmente se consideran un sistema
continuo.
TIPOS:
Polimineral: asociación o agregado de dos o más minerales,
normalmente cristalizados.
Monomineral: constituida por una sola especie minera mineral,
siempre que tenga entidad volumétrica suficiente o morfológica.
Es una asociación de cristales de una especie mineral.
Dentro de del concepto de roca podemos incluir al hielo, el
carbón y el petróleo.
ROCA-MACIZO ROCOSO
• MACIZO ROCOSO: consideramos no sólo el
material que lo constituye (Matriz Rocosa) sino
también sus discontinuidades, alteraciones,
propiedades en conjunto, etc. Puede estar
constituido por varias rocas asociadas.
• Macizo rocoso: Matriz rocosa (material) +
Discontinuidades + capa alterada (regolito) +
Agua
• La Roca debe ser homogénea e isótropa.
Concepto geológico.
• El Macizo rocoso es heterogéneo y anisótropo.
Concepto Ingenieril.
Suelos
• Suelo: Agregados naturales de granos
minerales unidos por fuerzas de contacto
(cohesión) normales y tangenciales a las
superficies de las partículas adyacentes
(débiles), separables por medios mecánicos de
poca energía o por agitación en agua.
• Autoctonos: regolitos o coluviales.
• Alóctonos: han sufrido erosión, transporte y
sedimentación: sedimentos.
• En ingeniería lo que no es roca es suelo.
• En ingeniería suelo es aquel material que es
rippable.
2.- CARACTERÍSTICAS
EXTERNAS DE LAS ROCAS.
• Las rocas son homogéneas en su composición
(dentro de un rango de variabilidad) en toda su
superficie e incluso en todo su volumen.
Normalmente presentan discontinuidades que
hacen que presenten cierto grado de
inhomogeneidad. Por el contrario, el macizo
rocoso siempre es inhomogeneo.
• Las discontinuidades son superficies o planos
de debilidad que separan bloques de matriz
rocosa o roca intacta o roca sana.
• Las discontinuidades suelen ser más
abundantes en la superficie de la roca o del
macizo rocoso y disminuir hacia el interior.
2.- CARACTERÍSTICAS
EXTERNAS DE LAS ROCAS.
• Tipos de discontinuidades:
• Microscópicas: diferencia en el tamaño de grano de los
minerales, diferente ordenación de los mismos,
microfisuras, etc.
• Macroscópicas: de gran tamaño. Fundamentalmente son
planos de debilidad o de rotura de las rocas que se
originan al consolidarse las mismas o por esfuerzos
posteriores dirigidos (tectónicos) o por la orientación o
disposición de cierto tipo de minerales. En general se
denominan discontinuidades. Hay varios tipos:
–
–
–
–
–
Fisura: rotura no abierta.
Diaclasa: rotura abierta pero sin movimiento o desplazamiento.
Fractura o falla: Rotura abierta con desplazamiento.
Plano de estratificación (R. sedimentarias).
Esquistosidad (R. metamórficas).
3.CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS Y
MECÁNICAS DE LA
MATRIZ ROCOSA.
Propiedades.
Goodman 1980
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS DE
LA MATRIZ ROCOSA. Goodman 1980
•
•
•
•
•
•
•
•
1.- Densidad: es la masa por unidad de volumen ρ = m / v.
Peso específico es el peso`por unidad de volumen
Pe (γ) = m.g/v luego m = Pe.v/g
Sustituyendo:
ρ = m / v = Pe. v /g.v = Pe/g = γ/g
La unidad normal es el KN/m3.
Las rocas de la corteza tienen un Pe medio de 26 KN/m3.
Gravedad específica (G) o peso específico relativo de un
sólido es el cociente entre su peso específico (γ) y el peso
específico del agua (γw). Siendo γw = 9.8 KN/m3
• G = pe/pew
G = γ/ γw
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 2.- Porosidad. (n)
• Es la relación entre el volumen de huecos (Vh) y
el volumen total de la roca (Vt).
• n = (Vh/Vt)x 100. Se expresa en %.
• En general alta, salvo rocas formadas en
profundidad, alta Presión.
• Varía con la profundidad dentro de la roca o
macizo rocoso.
• Primaria y secundaria.
• Grado de saturación (S): es el cociente entre el
volumen de huecos con agua (Vhw) y el
volumen total de huecos. S = (Vhw / Vt) x 100
Conglomerados
R. Ígneas y
Metamórficas
Calizas
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 3.- Durabilidad o Alterabilidad.
• Es la permanencia en el tiempo de todas
las propiedades de la roca.
• Es la medida de la estabilidad física y
química de la roca.
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 4.- Resistencia:
• Es el esfuerzo máximo que puede soportar
una roca sin romperse.
• R. Compresión.
– Uniaxial: resistencia a la compresión simple.
– Triaxial: resistencia con presión confinante.
• R. Tracción.
– E. Franklin
– E. Brasileño
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 4.- Resistencia:
• R. Compresión.
– Uniaxial: resistencia a la compresión simple.
– Triaxial: resistencia con presión confinante.
Definida por:
F
– σc = ----------A
– Siendo:
σc = Resistencia a la compresión.
F = fuerza aplicada hasta la rotura
A = Sección inicial de la muestra normal a la dirección
de la fuerza.
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 4.- Resistencia:
• R. Compresión.
– Uniaxial-Triaxial: El mismo ensayo mide la
deformabilidad de la roca y se obtiene el módulo
elástico y el coeficiente/módulo de Poisson.
– El valor del módulo Elástico estático es
Tensión
– E = ---------------------------------Deformación unitaria
– El valor del módulo de Poisson es
Deformación transversal
– υ = ---------------------------------------Deformación longitudinal
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 4.- Resistencia:
• R. Tracción.
– E. Franklin
– E. Brasileño
–
–
–
–
–
–
–
–
P
σtb = -------------πRH
Siendo:
σtb = Resistencia a la Tracción.
P = Carga de rotura
R = Radio de la sección transversal de la probeta.
H = Longitud de la probeta
σtb en MPa
Resistencia
30
Muy fuerte
10
Fuerte
5
Media
2
Débil
Valoración de los resultados del ensayo brasileño
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 5.- Permeabilidad o conductividad hidráulica (k).
• Es la menor o mayor facilidad que presenta un
material para ser atravesado por el agua.
• Equivale a una velocidad. m/día ó cm/s
• Ley de Darcy: Q = k A h/l = k A i
–
–
–
–
–
Q = caudal.
A = sección.
h = diferencia de altura.
l = recorrido del agua.
h/l = gradiente hidráulico.
• No tiene por que coincidir con la porosidad.
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 5.- Permeabilidad o conductividad hidráulica (k).
• No tiene por que coincidir con la porosidad,
aunque normalmente lo hacen.
– Excepción: pizarras y arcillas alta n y baja k.
• A la inversa no se cumple. Todas las rocas con
alta k tienen alta n. Excepción:
• La permeabilidad de una roca está relacionada
– Porosidad
– Conductos
• Disoluciones
• Grietas de contracción: basaltos.
– Fisuras, diaclasas, etc
3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.
• 6.- Velocidad sónica.
• No intríseca. Depende no solo de la mineralogía
sino de la presencia de planos de debilidad,
composición, estructura, etc.
• Mide la velocidad con la que una onda sónica
atraviesa la roca.
• Índice de calidad de la roca de Fourmaintreaux :
IQ = 100 x (VI/VI*)
– VI = velocidad de las ondas p en la roca sana
(testigo).
– VI* = Velocidad de las ondas p en la matriz rocosa
(campo).
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
0
1000
m / sg
2000
3000
Suelo
Arcillas
Granito
Basalto
Areniscas
Conglomerados
Calizas
Esquistos
Ripable
4000
D9H
3. Ripabilidad /
voladura
Marginalmente
ripable
voladura
D9H
(una uña)
Bancos de menos de 30 cm
Tres familias de discont. por m3
1000
producción bm 3 / hora
2000
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
3. Características geomecánicas
• Velocidad “P”, caract. Geotéc.
• Índices de fisuración
• Módulos dinámicos
•Características de materiales a
remover
• Índices de fisuración
I
f

V
V
c
Onodera
l
• Velocidad “P”, características Geotécnicas
1.0
MM
N
M
B
E
Velocidad de ondas P en Km / sg
0
1
2
3
4
5
6
Aire
Agua
Hielo
Arenas
Arcillas
Esquistos
Areniscas
If = (Vc / V1) 2
Suelo
0.5
Calizas
Dolomías
Sal
Yeso
Anhidrita
Granito
Gneiss
0.0
0
Basalto
50
RQD
100
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
Coon 1968
Deere et al 1967
1.0
N
M
B
E
2
E estático lbf / m x 10
6
MM
0.5
0.0
0
50
RQD
100
E sismico lbf / m2 x 10 6
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
Filaho y Rodrigues
1986
Ee / Ed
1.0
0.5
Ee / Ed = 1.66 If - 0.45
0.0
0.0
0.5
If = Vc / Vl
1.0
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
FASE DE PROYECTO
Relación con las Clasificaciones Geomecánicas
Parámetros
sísmicos
Vp (labor.)
Clasificaciones
Onadera
1963
Vp (campo)
Vp (laborat.)
Deere
1968
Merrit
(1972)
RQD
Sjagren et. al.
(1979)
Vp (campo)
E sismico
Vs (campo)
Sch
f en ondas S
e
neid
Coon
1968
7)
6
9
r (1
"petit sismique"
New (1984)
E estático
Bi
en
ia
ws
ki
(1
97
8)
RMR
E  2V
2
s
1   
2


 V p 

 2


 V 

s



 
2
 

  V p 

 2 
 1 

  
  
V s  
 
SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES
FASE DE EJECUCIÓN
Adaptación de Caract. Geómecánicas
4.- TEXTURA Y ESTRUCTURA.
• Textura: Tamaño, forma y disposición de los
minerales que constituyen las rocas.
• En el caso de las rocas magmáticas está relacionada
con la profundidad y velocidad de cristalización.
• Por el tamaño:
– Textura afanítica
< 0.05 mm.
– Textura de grano fino
0.05 a 1 mm.
– Textura de grano medio 1 a 5 mm.
– Textura de grano grueso
5 a 10 mm.
– Textura pegmatítica
> a 10 mm
Otras Texturas:
T. tabular: todos los cristales son de igual tamaño
T. porfídica: cristales grandes (fenocristales) englobados en
matriz de cristales más pequeños.
T. escoriácea o vesicular: típica de la escoria volcánica.
Presencia de cavidades o vacuolas rellenas de gas. Piedra
pómez.
4.- TEXTURA Y ESTRUCTURA.
• Estructura:
• Características macroscópicas de la
roca: Consideramos forma de los
estratos, su disposición espacial,
grandes discontinuidades, etc.
Casos a), b) y c): el revestimiento se ve sometido a presiones más o
menos uniformes. En el a) se suelen formar techos planos que hacen
que la sección real del túnel se aparte de la teórica.
Casos d), e) y f): se produce concentración de presiones en algún
punto concreto del túnel. En d) en el hastial derecho. En e) en la
bóveda. En el caso f) se producen en el hastial izquierdo.
En el caso e), además, si la potencia de las capas es reducida,
centimétrica, pueden formarse en la bóveda “chimeneas” y tiene
tendencia a formar hastiales planos.
Casos
a)
e)
Normalmente además de las juntas de estratificación
suelen estar presentes familias de fracturas o diaclasas.
La presencia de ambas acentúan los problemas que se
presentan en los casos anteriores, debidas únicamente a
la estratificación.