PROPIEDADES MECNICAS DE LAS ROCAS

LOS SLIDOS EN GENERAL LAS ROCAS

COMPORTAMIENTO ESFUEZO - DEFORMACIN DE LOS SLIDOS EN GENERAL

DEFORMACIN UNITARIA

Deformacin Unitaria Longitudinal Deformacin Unitaria Latera Deformacin Unitaria Tangencial

L = L / L (a) D = D / D (a) = X / Y (b)

ETAPAS DE DEFORMACIN- Deformacin Elstica y Plstica - Lmite de Elasticidad y Resistencia a la Compresin Simple

cLE

ESFUERZOS PRINCIPALES

ESFUERZOS EN UN PLANO

ESFUERZOS PRINCIPALES

MDULO DE DEFORMACIN

(a) Slido Linealmente elstico

Mdulo Tangente

Mdulo de Descarga

En los slidos idealmente elsticos se cumple la ley de Hooke (Mdulo de Elasticidad o Deformacin E :

= E.

CONSTANTES ELSTICAS EN LOS MATERIALES IDEALES

Mdulo de Elasticidad Relacin de Poisson Mdulo de Rigidez Relacin G, E,

=E. = D/NG= / G = E / 2(1+ )

COMPORTAMIENTO EFUERZO-DEFORMACIN DE LAS ROCAS

FACTORES DE COMPORTAMIENTO EN LA NATURALEZA

TIPO DE ROCA INCREMENTO DE LA PRESIN DE CONFINAMIENTO INCREMENTO DE TEMPERATURA TASA DE APLICACIN DE LA CARGA ACCIN DE LOS FLUIDOS CAMBIOS AMBIENTALES

TIPO DE ROCA: Comportamiento Esfuerzo-Deformacin de un granito moderadamente descompuestoOA Cerramiento de Fisuras AB Regin Elstica BC Regin Dctil CD Regin de Falla C0 Lmite de Elasticidad 0 Resistencia a la Compresin D Resistencia Residual

TIPO DE ROCA: Curvas esfuerzo-Deformacin de varios tipos de rocas ensayadas en el laboratorio

1

1- Cuarcita, Diabasa 2. Caliza, Granito

2 3

3. Arenisca, Shale , 4. Arcillolita

4

CURVA ESFUERZO-DEFORMASCIN

EFECTO DE LA PRESIN DE CONFINAMIENTO

Comportamiento de Calizas con el incremento de la presin de confinamiento

En la naturaleza: a poca profundidad las rocas se presentan muy fracturadas; a grandes profundidades, por lo general plegadas o deformadas.

Transicin de comportamiento frgil a comportamiento dctil del marmol de Carrara, con el incremento en confinamiento

EFECTO DEL INCREMENTO DE LA TEMPERATURAEfecto del incremento de temperatura en el comportamiento de un granito confinado a 5000 atmsferas.

OTROS FACTORES

TASA DE APLICACIN DE LA CARGA:El incremento de la tasa de deformacin debido a cargas tectnicas aplicadas lentamente puede provocar una falla geolgica.

LOS FLUIDOS INTERGRANULARES:El agua y otros fluidos naturales reducen la resistencia de las rocas.

AMBIENTES GEOLGICOSEl metamorfismo y la fusin de las rocas son manifestaciones e los incrementos de presin y temperatura de las rocas en la naturaleza.

FLUENCIACuando en las rocas se aplican esfuerzos por debajo del lmite elstico, pero estas cargas actan un tiempo muy largo, stas pueden deformarse de manera continua.

COMPORTAMIENTO DCTIL Y COMPORTAMIENTO EN LA FALLA DE LAS ROCAS

Comportamiento de rocas sometidas a carga hasta la falla, a varias presiones de confinamiento: (a) con mecanismo combinado traccin/cortante; (b) con mecanismo de cortante; (c) la roca no falla: se comporta dctilmente; (d) falla por traccin en una roca sometida a tensin; (e) falla por traccin en una roca sometida a compresin.

PARMETROS MECNICOS DE RESISTENCA

ESTADO DE ESFUERZOS EN LA CORTEZA TERRESTRE

ESFUERZOS GEOSTTICOS: Peso de las rocas: v = z y h = k v

ESFUERZOS NO GEOSTTICOS:Tectnicos Alivios de Esfuerzos por Meteorizacin o por Denudacin.

Estado de esfuerzos en la corteza terrestreEsfuerzos: vertical v y Horizointal h

SC Rango de variacin de h

Profundidad Z NC

v

MATERIAL Y MACIZO ROCOSO

MATERIAL ROCOSO: Fragmentos sueltos de sustancia rocosa MASA ROCOSA Roca en su condicin natural considerando en conjunto el material y las discontinuidades estructural in situ

RESISTENCIA Y NIVEL DE ESFUERZOS EN LOS MACIZOS

1.

En los macizos de Roca Dura, la falla est controlada por las discontinuidades estructurales y en los macizos de Roca Blanda, la falla est controlada por el material. Segn Hoek y Brown en macizos rocosos que se excavan las rocas se comportan como blandas cuando se cumple la siguiente relacin:v / c > 0.2. Asumiendo = 0.25 kg/cm2, y profundidades corrientes de excavaciones para diferentes tipos de obras, las rocas se pueden considerar blandas en el rango de 25 kg/cm2 a 375 kg/cm2.

Prof. (m)

v kg/cm2

c < v / 2

100 300 600

25 75 150

125 375 750

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DEL MATERIAL ROCOSOLas propiedades del material rocoso son determinantes en los casos siguientes: Macizos de roca blanda o macizos de roca dura con de altas concentraciones de esfuerzos. Utilizacin de las rocas como materiales de construccin. Varios problemas especficos tales como la durabilidad y alterabilidad de las rocas, su perforabilidad, su excavabilidad etc. dependen en gran medida de las caractersticas del material rocoso. Como base de la clasificacin geomecnica de las rocas en general

SOLICITACIONES DE COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL ROCOSOA) COMPORTAMIENTO FSICOQUMICOAbrasividad, Susceptibilidad Qumica, Expansividad, Solubilidad, Erodabilidad, Desleibilidad, Durabilidad

B) COMPORTAMIENTO MECNICOResistencia, Deformabilidad, Permeabilidad.

Propiedades bsicas que responden a solicitaciones diversas de comportamiento geotcnico de las rocas con base en descripciones sobre su carcter y Ensayos ndice.

PROPIEDADES NDICE DEL MATERIAL ROCOSO

A) Propiedades ndice Descriptivas B) Ensayos ndice de Clasificacin C) Ensayos ndice de Diseo

PROPIEDADES NDICE DESCRIPTIVAS

Textura y Fbrica Composicin y grado de homogeneidad mineral Porosidad Rasgos de esfuerzos Grado de meteorizacin Contenido Natural de Humedad Durabilidad

Comportamiento de algunos minerales en IngenieraMINERAL Cuarzo Slice amorfa COMPORTAMIENTO Muy abrasivo, pobre adherencia ptreo-asfalto. RAS: Calcedonia (>5%), palo (> 0,25%), o cuarzo molido, reaccionan con los lcalis de los cementos en el concreto: Minerales desleibles

Clorita, sericita, vermiculita, talco, Serpentina Halita, Yeso, Calcita Pirita, marcasita, yeso, anhidrita Montmorillonita Haloisita y Alofana

Minerales solubles Minerales reactivos en los concretos; el yeso adems se involucra en inestabilidad de fundaciones y taludes Mineral muy expansivo Minerales provenientes de descomposicin de cenizas volcnicas en regiones tropicales; problemticas en taludes y fundaciones.

FABRICA DE LAS ROCASCristalina Masiva Cristales muy duros mecnicamente entrabados sin orientacin preferenteCristales muy duros mecnicamente entrelazados con orientacin preferente Clastos de Fraccin Fina con diferentes grados de consolidacin y calidad variable del cemento mineral Clastos de Fraccin Gruesa con diferente grado de empaquetamiento y calidad variable del cemento mineral

Cristalina Foliada

Clstica Consolidada

Clstica Cementada

PROPIEDADES NDICE DE CLASIFICACIN

Parmetros de DensidadPorosidad, Absorcin, Peso Unitario, Peso Especfico.

Parmetros de ResistenciaDureza, Resistencia, Velocidad Snica.

Parmetros de DegradacinGrado de Meteorizacin, Durabilidad

RELACIONES DE FASE Y PARMETROS DE DENSIDADRelaciones en Volumen n % = Vv / VVvVa

Relaciones en PesoAIRE AGUA Ww W

w % = Ww / Ws ton/m3 = W / V

e

= Vv / Vs

V

Vw

e

= n / (1-n)Vs SLIDOS Ws

Gm = / wGs = s / w

S% = Vw / Vv

Material Ortoclasa

Gs 2.5 2.6

n%

Ab %

(ton/m3)

Calcedonia

2.6

Cuarzo

2.65

Moscovita

2.7 2.3

Biotita

2.8 3.1

Olivino

3.2 3.6

Pirita

4.9 5.2

Granito Riolita Diorita Gabro Arenisca Shale

2.5 2.6 2.1 2.3 2.6 2.7 3.0 1.9 2.5 2.2 2.6

0.5 1.1 0.7 10.0 0.5 1.0 0.3 15.0 2.0 12.0 1.9 .

0.2 0.4 0.3 4.8 0.2 0.4 0.1 21.0 0.8 0.2 0.4

2.7 2.4 2.8 3.0 2.0 2.5 2.2 2.6

PARMETROS DE RESISTENCIADUREZA RESISTENCIA CARGA PUNTUAL RESISTENCIA COMPRESIN VELOCIDAD SNICA

Is 50 = P / De

P= carga de falla: De = dimetro equivalente (in)

Por lo general las rocas son 20 veces ms resistentes en compresin simple que por carga puntual

PARMETROS DE DEGRADACIN ndices

de Meteorizacin

ndice

de durabilidad

c = P/A Kg/cm2

VELOCIDAD SNICA: velocidad de propagacin de ondas elsticas (compresin) a travs del material rocoso.

La velocidad de transmicin de ondas sonoras en un especimen (VL) depende de sus propiedades elsticas y su densidad.VL2 = E (!-) / (1+ ) (1-2 )

MineralCuarzo Ortoclasa Calcita Pirita

Velocidad VL m/seg6050 5800 7500 8000

PARMETROS DE DEGRADACIN

ndices de MeteorizacinMtodo de Illiev. Incremento de la porosidad con la descomposicin, con base en lareduccin de VL.

ndice de Illiev k = V0 V w / V0V w y V0, velocidad snica del materia descompuesto y el material sano, respectivamente.

Mtodo de Hamrroll. Incremento en la absorcin con el incremento en el grado demeteorizacin:

ndice de Hamroll iH = P2 - P1 / P1 %P2 y P1 corresponden al peso saturado y peso seco, respectivamente.

PARAMETROS DE DEGRADABILIDAD

ndice de Durabilidad de Gamble

Durabilidad

Retenido (%) despus de un ciclo de 10 minutos99 98-99 95-98 85-95 60-85 60

Retenido (%) despus de dos ciclos de 10 minutos98 95-98 85-95 60-85 30-60 30

Muy alta Alta Media Alta Media Baja Muy Baja

PROPIEDADES NDICE MECNICAS

El estado triaxial es el que mejor simula las condiciones de confinamiento de las rocas: incremento de esfuerzos con la

profundidad.Mdulo de Deformacin E = / n, esfuerzo axial de compresin en ensayos de corte simples o el esfuerzo desviador en ensayos triaxiales (1 - 3) y la deformacin unitaria axial (%).

Relacin de Poisson = l / NRelacin deformacin unitaria lateral l: deformacin unitaria normal N, cuando una roca es sometida a carga axial.

PermeabilidadEn el material rocoso, la permeabilidad es por lo general baja. (vara entre 10 8 y 10 10 cm/seg ) En la prctica las rocas poseen alta permeabilidad secundaria, es decir, permeabilidad debida a la libertad del agua a circular por fracturas.

CLASIFICACIN DE LAS ROCAS Deere&Miller

Resistencia a la Compresin Simple c

Clase A B C D E

Resistencia Muy Alta

c kg/cm2 >2.250

Alta Media Baja Muy BajaMdulo Elevado Medio Bajo

1.120-2.250 560-1.120 280-560 500 200-500 > 200

Mdulo relativo Et / c

Clase H M L

Las rocas cristalinas masivas son las ms resistentes y rgidas; solo las plutnicas y las diabasas entre ls efusivas presentan calidad uniforme. (A, B) Las restantes rocas efusivas como basaltos y andesitas poseen una calidad relativamente abierta (A,B,C) debido a su porosidad relativamente alta. Todas estas rocas caen en el mdulo relativo medio.

Las rocas sedimentarias clsticas de grano grueso y grano fino poseen la calidad ms dispersa de todas las rocas. Por lo general las ms antiguas (PZ) son de mejor calidad que las mas recientes (CZ). La clasificacin en modulo bajo de algunas muestras se debe al efecto del cierra de planos (las muestras se ensayaron en direccin normal a la estratificacin. Las rocas sedimentarias no clsticas (calizas y dolomitas) poseen textura cristalina masiva y se comportan de manera semejante a los granitos.

La cuarcita es una roca cristalina masiva muy resistente (A,B); el neis es un poco menos resistente (B, C). Los datos del marmol no son representativos (muy pocas muestras). Esquistos: en general la calidad vara ms que otras rocas cristalinas debido a la anisotropa. Grupo 4a (esquistosidad subvertical): modulo H debido a baja resistencia de las muestras de ms alto buzamiento; Grupo 4b (esquistosidad sub-horizontal) mdulo bajo por cierre de fisuras en muestras ensayadas en forma sub-horizpontal respecto de la esquistosidad.

Mdulo deDeformacinMuy alto

Variacin de E Kg /cm2 x 1057.0 a 12.0

MaterialDiabasa, algunas cuarcitas, neis, caliza y mrmol. En ese orden de mayor a menor resistencia c Granito y afines, la mayora de las calizas y dolomitas, algunas lavas, ls mayor parte de los neisRocas metamrficas en general; menos resistentes en la direccin de la filiacin Rocas sedimentarias clsticas en general

Alto

4.0 a 8.0

Bajo a Alto

0.8 a 8.0

Muy bajo a Bajo

< 0.20 a 4.0