Mecanica de Rocas 1

EESC/USPGeotecniaMecânica

das Rochas

Mecânica das Rochas: Uma introdução 1

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDASAPURIMAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

Dr. Leoncio T. Carnero C.

2012--IMecánica de Rocas


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MECÁNICA DE ROCAS:

Una introducción Historia Relación con otras disciplinas Motivaciones del rápido desarrollo El ámbito de la Mecánica de rocas El proyecto en rocas Casos históricos Bibliografía en el área de Mecánica de

Rocas.


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HistoriaLa Mecánica de Rocas es una especialidad nueva, sudesarrollo ocurrió principalmente a partir de la décadade 1960. La designación de la nueva rama aparecióen el año de 1955.Las primeras obras que sistematizaron el conocimientoexistente de la época fueron: la de J. A. Talobreintitulada “La mécanique des roches” editada en 1957,y la del Prof. Leonard Müller “Der Felsbau” en 1963(ROCHA, 1981).EL progreso alcanzado en la comprensión del comporta-miento de los macizos rocosos marcaron el inicio del fin de la era de la “experiencia” (los individuos daban solución a los problemas con criterios subjetivos y personales), pasando para un abordaje más objetivo y racional.


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Es interesante observar que la Sociedad Internacional deMecánica de Rocas (ISRM – International Society of Rock Mechanics) fue constituida en 1962 y tubo suprimer congreso en Lisboa, en 1966. Este congresomarcó un paso decisivo en la consagración de la nuevadisciplina, teniendo un papel destacado el Dr. ManoelRocha.La ISRM organiza congresos a cada 4 años, siendo realizado su octavo congreso en 1995, en Tokyo.Actualmente la Mecánica de Rocas todavía es presentadacomo disciplina aislada en los cursos de pre-grado,siendo la presencia de la disciplina más común en progra-mas de póst-grado. En el Brasil, la disciplina fue dadaen cursos de graduación por primera vez, en la década de1960, en la EESC/USP. En Perú a fines de los 60.


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Relación con otras disciplinas

Tal como sucede con disciplinas nuevas, la Mecánica de Rocas agregó y dio unidad, al conocimiento sobre el macizo rocoso, de otras disciplinas que existían.Entre estas disciplinas destacan: mecánica de suelos,petrografía, geología, especialmente la geología aplicada;que tratan, la teoría de la elasticidad, teoría de la plasticidad, reología e hidráulica de medios porososy fracturados.Dos razones pueden explicar el hecho de la Mecánica deRocas, que aparece posteriormente a la Mecánica de lossuelos: 1) La alta complejidad de los fenómenos envueltos; y 2) Las altas competencias de los macizos rocosos.


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Motivos del rápido desarrolloEl rápido desarrollo de la Mecánica de Rocas se debeal surgimiento de importantes problemas en el área y delconocimiento y técnicas que permitieron la solución deestos problemas.En la Ingeniería Civil, el crecimiento de las dimensiones de las obras y consecuentemente aumento de laspresiones llegaron al limite de la resistencia de algunos macizos rocosos.En el caso de obras subterráneas el aumento de lasdimensiones y profundidad también colocó nuevos desa-fios. Cabe citar el papel de dos grandes accidentes en laspresas de Vajont y Malpasset.


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En la Ingeniería de Minas, preocupaciones de orden económico y seguridad, además del aumento de las profundidades alcanzadas por las minas subterráneas y alturas de los taludes en minas a cielo abierto, son razones para el desarrollo de la Mecánica de Rocas.La Ingeniería de Petróleo ha contribuido para la dinami-zación de la Mecánica de Rocas a través de sus necesi-dades de ejecutar económicamente taladros de gran profundidad.En el campo de las Geociencias existe para la Mecánicade Rocas el desafío de entender los fenómenos de deformación y ruptura de la corteza terrestre, además de investigar los fenómenos envueltos en la ocurrencia de sismos.


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Ámbito de la Mecánica de Rocas

Para fines de Ingeniería la distinción entre suelo y roca es realizada de forma no rigurosa. Las rocas son, vía deregla, materiales más rígidos y menos deformables, noes de interés fundamental definir una frontera clara entre un suelo duro y una roca blanda.

Material

Módulo de Deformabilidad

(GPa)

Coesión (MPa)

Ángulo de Atrito

(o) Arenas 0.005 - 0.045 - 30 - 40 Arcillas 0.001 - 0.050 0 - 0.25 30 - 35 Areniscas 0.4- 30 0.5 - 12 30 - 55 Calizas 0.5 - 100 0.5 - 40 30 - 50 Cuarcitas 20 - 100 15 - 30 45 - 65 Granitos e gneis 0.4 - 100 0.4 - 25 35 - 65 Esquistos 0.4 - 80 0.4 - 20 30 - 65


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ROCHA (1981), presenta un criterio de distinción entresuelos y rocas según el cual “los suelos son los terrenosconstituidos por partículas sueltas o agregadas de tal modo que se pueden separar fácilmente mediante agitacióndentro del agua. Es importante resaltar el hecho, al referido criterio corresponden materiales que exhiben propiedadestecnológicas muy diversas, en especial deformabilidady resistencia, que son las propiedades de interés parael Ingeniero.El aspecto específico que llevó la individualización de la Mecánica de Suelos, fue la presencia del agua en susinstersticios. El que distingue entonces a la Mecánica de Rocas es la presencia de discontinuidades en el macizo.Para ROCHA (1981), la Mecánica de Rocas seria:“La mecánica de un medio cortado por superficies de discontinuidades”.


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Definiciones de Mecánica de Rocas• “La Mecánica de Rocas es la ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la rocas; es la rama de la mecánica relativa a la respuesta de la roca a los estados de tensión de su ambiente físico”.• “La Mecánica de Rocas es el estudio del comportamiento de las propiedades de macizos rocosos, bajo la aplicación de tensiones o variación de condiciones impuestas”.• “La U. S. Nacional Comité on Rock Mechanics en 1974, define la mecánica de rocas como la ciencia teórica y aplicada al comportamiento mecánico de la roca y de los macizos rocosos, esto es, aquella rama de la mecánica que trata con la respuesta de la roca y de los macizos rocosos al campo de fuerzas de su entorno físico. Esta disciplina distinta y coherente, su integración practica efectiva demanda su integración filosófica con otras áreas que tratan con larespuesta mecánica de todos los materiales geológicos; a todo esto en conjunto es lo que se denomina la “geomecánica”.Mecânica das Rochas: Uma introdução 10


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MACIZO ROCOSO : Propiedades de las discontinuidades


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Túnel Karkatera-Ocopata: Se aprecia el macizo rocoso


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El macizo rocoso presenta discontinuidades que van deescalas microscópicas hasta escalas quilométricas. La hipótesis de trabajo en un medio continuo con un medio discontinuo (fracturado), es una relación entre lasdimensiones de la obra y el espaciamiento de las disconti-nuidades. En la figura, a seguir, se tiene dimensiones representadas por 1, donde el espaciamiento es muy mayorque la dimensión de interés, el macizo pode ser considerado continuo.En caso, se tenga dimensiones como las representadas por4 o 5 se puede trabajar en términos de un “continuoequivalente”. En situaciones intermedias la consideraciónde las discontinuidades individualmente es interesante.La presencia de discontinuidades es la principal causa delefecto escala en roca; lo que implica que la respuesta de un ensayo es función de las dimensiones ensayadas.


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1. Roca intacta

2. Una familia dediscontinuidades

3. Dos familias dediscontinuidades

4. Muchas familias dediscontinuidades

5. Macizo altamentefracturado


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El proyecto en rocasUn proyecto de Ingeniería pode ser definido como unaactividad socio-económica, en la cual principios científicos, de ingeniería son compartidos, con un conjunto de informaciones técnicas y la experiencia; son aplicados, con habilidad, imaginación y censo crítico, en la creación de dispositivos, procesos y sistemas, económicamente viables, agradables estéticamente y ambientalmente aceptables, para el beneficio de la sociedad. El proceso de proyectar engloba todas las actividades y eventos que pueden ocurrir desde el reconocimiento de la necesidad social o oportunidad hasta su especificación detallada o solución aceptable (BIENIAWSKI, 1989).


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BIENIAWSKI (1989), divide los estados del proceso de un proyecto de ingeniería en:1. Reconocimiento de una necesidad.2. Establecimiento del problema, identificación de los objetivos y lanzamiento del proyecto.3. Recolección de informaciones.4. Formulación conceptual en acuerdo con los criterios del proyecto: busca por un método, teoría, modelo o hipótesis.5. Análisis de los componentes de la solución.6. Síntesis para creación de soluciones alternativas.7. Valoración de las ideas y de la solución.8. Optimización.9. Comunicación.10. Implementación. Todos los estados están sujetos a una retro-alimentación.


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Existe una nítida diferencia entre el proyecto de una estruc-tura convencional (edificios, puentes ...) y un proyecto enroca. En un proyecto convencional, las cargas aplicadasson determinadas primero y el material es determinado con las resistencias y características de deformación apropiadas,siguiendo la geometría estructural seleccionada. En la Mecá-nica de Rocas el proyectista trabaja con macizos rocososcomplejos, y las propiedades de los materiales no pueden ser establecidos y muchas veces son conocidos enfases tardías de la construcción. Las cargas aplicadas, en el caso de las excavaciones subterráneas, radica en la importancia de estimar las tensiones “in situ” y sus redistribuciones con la excavación.La geometría de la obra puede ser condicionada por las características de la geología (BIENIAWSKI, 1989).


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Al contrario de un proyecto de estructuras convencionales,donde es posible una normatización de los procedimientos de cálculo; cada construcción en roca, es única. De esta forma, es necesario elaborar un modelo que permitaestudiar el comportamiento del protótipo (la estructura en campo). El diagrama de abajo describe la construcción delmodelo.

Protótipo

Estructura “real”en campo.

Modelo Conceptual

Descripción cualitativa del

comportamiento protótipo.

Modelo de Cálculo

Representaciónmatematizada del

modelo conceptual.


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El modelo es elaborado con la expectativa de prever elcomportamiento de la estructura durante y después dela construcción.La necesidad de previsión está presente en diversas actividades humanas (historia, religión, política, guerra,economía, agricultura, etc.). Dentro de la ingeniería la necesidad de previsión también es corriente (movimiento,costos, impacto ambiental, etc.).Para la realización de una previsión son necesarias infor-maciones sobre el problema. En el caso geotécnico lasinformaciones, esto es, las propiedades de los materiales, presentan una larga faja de variación, siendo muchas veces dispersas e incompletas.Los modelos de cálculo para realización de previsiones han evolucionado considerablemente en los últimos anos.


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BibliografíaBIENIAWSKI, Z.T. (1989) Engineering rock mass classifications.

New York, Wiley. 251p.GOODMAN, R.E. (1989) Introduction to rock mechanics.

2nd ed. New York, Willey. 562p.LONDE, P. (1987) The Malpasset Dam Failure. Engineering Geology,

v.24, p.295-329.MÜLLER, L. (1987) The Vajont catastrophe - A personal review.

Engineering Geology, v.24, p.423-444.ROCHA, M. (1981) Mecânica das rochas. Lisboa, LNEC. 445p.SHEPHERD, R. & FROST, J.D. (1995) Failures in Civil Engineering:

Structural, Foundations and Geoenvironmental Cases Studies. New York, ASCE.

STARFIELD, A.M. & CUNDALL, P.A. (1988) Towards a Methodology for Rock Mechanics Modelling. InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences &Geomechanics Abstracts, v.25, n.3, p.99-106.


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Bibliografía en el área deMecánica de Rocas

LIVROS TEXTOS:BIENIAWSKI, Z.T. (1989) Engineering rock mass classifications.

New York, Wiley, 251p.BROWN, E.T. (Ed.) (1981) Rock caracterization, Testing, and

Monitoring: ISRM Suggested Methods. Pergamon,Oxford.

BROWN, E.T. (Ed.) (1987) Analytical and computational methodsin engineering rock mechanics. London, Allen & Unwin.

GOODMAN, R.E. (1976) Methods of geological engineering indiscontinous rocks. West, St. Paul, NM.

GOODMAN, R.E. & SHI, G.H. (1985) Block theory and its applications to rock engineering. NJ, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,.


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GOODMAN, R.E. (1989) Introduction to rock mechanics.2nd ed. New York, Willey, 562p.

HOEK, E. & BRAY, J.W. (1981) Rock slope engineering. 3ed. London, Institution of Mining and Metallurgy. 402p.

HOEK, E. & BROWN, E.T. (1980) Underground excavationsin rock. London, Institution of Mining and Metallurgy.

HOEK, E.; KAISER, P.K.; BAWDEN, W.F. (1995) Suport of undeground excavation in hard rock. Rotterdam, Balkema, 215p.

JAEGER, J.C. & COOK, N.G.W. (1979) Fundamentals ofrock mechanics. 3 ed. London, Chapman & Hall.

MELO MENDES, F. (1968) Mecânica das rochas. Sao paulo,Secção de Folhas do AEIST.

MÜLLER, L. (1963) Der Felsbau. Stuttgart, Ferdinand EnkeVerlag, .

ROCHA, M. (1981) Mecânica das rochas. Lisboa, LNEC. 445p.STAGG, K.G. & ZIENKIEWICZ, O.C. (1968) Rock mechanics

in engineering pratice. London, John Wiley & Sons.TALOBRE, J.A. (1957) La mécanique des roches. Paris, Dunod.


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PERIÓDICOSCanadian Geotechnical Journal, Canadian National Research

Council, Toronto, Canada.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences &

Geomechanics Abstracts, Oxford, Pergamon Press, Ltd. Geotechnical Testing Journal, American Society for Testing Materials

(ASTM).Journal of the Geotechnical Division, Proceedings of the American

Society of Civil Engineering. New York, ASCE.Rock Mechanics, Springer-Verlag, Viena.

Underground Space, American Undeground Association. Oxford, Pergamon Press, Ltd.

ANALISESCanadian Rock Mechanics Symposio.Congresses of the International Society of Rock Mechanics (ISRM).Symposia on Rock Mechanics, Annual U.S. Conference.Eventos específicos preparados por organizaciones como ISRM,

CBMR/ABMS, y otras.

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