Mecánica de Rocas: Conceptos Fundamentales
La mecánica de rocas estudia los efectos de las fuerzas sobre las rocas y los macizos rocosos. Su objetivo principal es determinar los desplazamientos, evaluar los esfuerzos y analizar los factores de seguridad y estabilidad.
Conceptos clave:
- Suelo: Acumulación de partículas.
- Roca: Material compacto.
- Discontinuidades: Tipos de fracturas (fallas, diaclasas, planos de fractura).
- Macizo rocoso: Gran masa de roca componente de la corteza terrestre, compuesta por bloques de roca intacta y discontinuidades.
- Roca intacta: Volumen de roca entre discontinuidades.
- Medio continuo: Conjunto infinito de partículas que forman un sólido, líquido o gaseoso, estudiado macroscópicamente sin considerar los espacios entre ellas.
Mecánica de Sólidos y Rocas: Comportamiento Ideal vs. Real
Mecánica de sólidos (Comportamiento ideal):
- Homogéneo (misma composición mineralógica).
- Continuo (sin fracturas ni diaclasas).
- Isótropo (propiedades uniformes en todas direcciones).
- Lineal y elástico.
Comportamiento real de las rocas:
- Heterogéneo (distinta composición mineralógica y porosidad).
- Discontinuo (presencia de microfisuras).
- Anisótropo (propiedades varían según la dirección).
- No lineal ni elástico (debido a la meteorización y alteración de minerales).
Factores a Considerar en el Macizo Rocoso
- Existencia de discontinuidades a distinta escala.
- Grado de meteorización de la roca.
- Tectónica del área.
Estado Mecánico de un Sistema
El estado mecánico de un sistema se caracteriza por:
- Posición de cada parte del sistema (coordenadas).
- Fuerzas actuantes.
- Campo de deformaciones.
- Campo de desplazamientos.
- Variación de esfuerzos (estado tensional).
En el macizo rocoso se considera:
- Fracturamiento de la roca (esfuerzo, corte y cizalle).
- Efecto escala.
- Resistencia a la tracción.
- Efecto del agua subterránea (cambia la fuerza, densidad, composición, etc.).
- Meteorización.
Resistencia y Fallamiento de los Materiales
La aplicación de fuerzas sobre el macizo genera una redistribución de esfuerzos que, dependiendo de la resistencia de los materiales, puede provocar el fallamiento. La deformación se define como la comparación entre el desplazamiento inicial y final. El esfuerzo es una condición de la roca en un instante dado y depende de las fuerzas aplicadas. La deformación, en cambio, considera la condición en dos instantes dados.
Relación Esfuerzo-Deformación
La resistencia se define como el esfuerzo que la roca es capaz de soportar para una cierta condición de deformación.
- Comportamiento frágil: La resistencia disminuye drásticamente hasta alcanzar valores cercanos a cero.
- Comportamiento dúctil-frágil: La resistencia decae hasta un cierto punto después de alcanzar un grado de deformación.
- Comportamiento dúctil: La deformación aumenta sin que se pierda la resistencia.
Criterio de Ruptura
- El comportamiento mecánico de los materiales depende de la resistencia y las fuerzas aplicadas (estado tensional), así como de la dirección de estas.
- Esto produce la deformación y posterior ruptura del material.
- La ruptura ocurre bajo condiciones de esfuerzo diferencial y a una determinada relación esfuerzo-deformación, alcanzando un nivel de deformación crítico.
La ley de comportamiento de los materiales define la relación entre los componentes del esfuerzo y el estado de deformación. Esta ley debería predecir:
- El valor de la resistencia pico.
- La resistencia residual.
- La resistencia del límite de elasticidad.
- El inicio de la generación de fracturas.
- Las deformaciones sufridas por los materiales.
- La energía del proceso de ruptura.
Criterio de Hoek & Brown
Este criterio parte de las propiedades de la roca intacta y considera un factor que reduce dichas propiedades en función de las características de las discontinuidades en el macizo rocoso.
Macizo Rocoso: Definición y Factores Influyentes
Un macizo rocoso es un volumen importante de roca que se encuentra intersectado, total o parcialmente, por estructuras geológicas. Estas estructuras definen numerosos sub-volúmenes o bloques de roca que, en conjunto, conforman el macizo rocoso. El comportamiento mecánico del macizo rocoso dependerá de:
Estructuras Geológicas
Las estructuras geológicas son discontinuidades geológicas que modifican el comportamiento mecánico (resistencia y deformación) de la roca y su modo de ruptura. El término discontinuidad hace referencia a cualquier plano de separación en el macizo rocoso, pudiendo tener origen sedimentario (superficies de estratificación o laminación), diagenético o tectónico (diaclasas o fallas).
- Una estructura puede definirse como cualquier discontinuidad planar del macizo rocoso con génesis geológica. Si esta estructura muestra desplazamiento relativo de sus caras, se denomina falla.
- Las superficies o planos de discontinuidades condicionan las propiedades y el comportamiento mecánico e hidráulico de los macizos rocosos. Las discontinuidades imprimen un carácter discontinuo y anisótropo a los medios rocosos, haciéndolos, en general, más deformables y débiles.