2.1 Mecanica de Rocas y Diseño de Excavaciones

MECÁNICA DE ROCAS
2.1. Mecánica de rocas y diseño de excavaciones

subterráneas y superficiales
Dr. GLICERIO TAYPE QUINTANILLA
1
OBJETIVOS
Esta clase tiene como objetivo que el estudiante conozca:

1. Metodologías aplicadas en el diseño de ingeniería de rocas.
2. Métodos de investigación geotécnica de campo para el
diseño de excavaciones subterránea y superficiales.
2
1. INTRODUCCION
La Mecánica de Rocas como un arte ha sido

practicado por los mineros desde hace muchos años,
pero sin importancia científica.
Como ciencia data desde el año 1950,

aproximadamente. La investigación en Mecánica de
Rocas fue iniciada en 1952 en Sud África.
La industria minera sud africana solicitó al South

African Council for Scientific And Industrial Research
(Consejo Sud Africano de Investigación Científica e
Industrial), que estableciera un equipo para
investigar problemas relativos a las presiones de las
rocas en las minas de oro a gran profundidad
3
Cualquier excavación practicada en un medio rocoso da
lugar a una alteración de las condiciones de equilibrio,
las cuales son necesarias conocerlas a fin de asegurar la
estabilidad o inducir la falla como en el caso de los
métodos de minado por hundimiento.
Los problemas de estabilidad asociados a la

construcción de excavaciones rocosas para diversos
propósitos, ha dado lugar al establecimiento de la
disciplina denominada "Mecánica de Rocas“.
4
Minerías subterránea y
superficial en Sudáfrica.
5
2. CONCEPTOS GENERALES
El problema de la ingeniería mecánica que existe en

todos los diseños estructurales es la predicción del
performance (rendimiento) de la estructura bajo las
cargas impuestas sobre ella durante su operación
funcional
El tema de la mecánica de rocas, como es
aplicada en la práctica de la ingeniería de minas,
concierne a la utilización de los principios de la
ingeniería mecánica al diseño de las estructuras de
roca generados por la actividad minera.
A pesar de estar relacionada a la mecánica clásica y
la mecánica continua, varios factores específicos
identifican a la mecánica de rocas como un
campo distinto y coherente de la ingeniería.
6
Una definición aceptada de la mecánica de
rocas es aquella ofrecida por primera vez por
la US Nacional Committee on Rock
Mechanics en 1964, y modificado en 1974:
“La Mecánica de Rocas es la ciencia

teórica y práctica del comportamiento
mecánico de la roca y los macizos
rocosos; ésta es aquella rama de la
mecánica que trata a la respuesta de la
roca y el macizo rocoso a las fuerzas de
campo de su ambiente físico”.
7
Labores
subterráneas
8
9
La mecánica de rocas es de relevancia
fundamental para el ingeniero de minas porque el
acto de crear excavaciones mineras cambia los
campos de fuerza del medio ambiente físico de la
roca.
El estudio de la respuesta de la roca a estos

cambios requiere de la aplicación de técnicas
analíticas desarrolladas específicamente para tal
propósito.
La mecánica de rocas forma parte de la

geomecánica el cual estudia la respuesta de todos
los materiales geológicos, incluyendo los suelos.
10
11
La aplicación de los principios de la mecánica de
rocas en la ingeniería de minas subterránea se
basa en las siguientes premisas:
Primero: Que a la masa rocosa se le puede

atribuir un conjunto de propiedades mecánicas
que pueden ser medidos en ensayos estándar.
Segundo: El proceso del minado subterráneo

genera una estructura de roca consistente en
vacíos, elementos de soporte y sostenimiento, y
que el performance mecánico de las estructuras
son tratables analíticamente usando los principios
de la mecánica clásica.
12
Tercero: La capacidad de predecir y
controlar el performance mecánico de la
masa rocosa en la cual se realiza el
minado puede asegurar o aumentar el
rendimiento económico de la mina; lo cual
puede ser expresado en la práctica por la
eficiencia en la recuperación de la
inversión, medido en términos del
volumen de extracción, productividad de la
mina o la rentabilidad económica.
13
Teniendo en cuenta que la mecánica de rocas es una
disciplina distinta en la ingeniería, está claro que su
aplicación práctica efectiva demanda una apreciación
filosófica integrada con otras áreas de la
geomecánica.
La mecánica de rocas, mecánica de suelos,
hidrología y geología estructural son la base de
la ingeniería de minas.
Las áreas mencionadas constituyen la base
conceptual y factual de aquellos procedimientos que
se pueden desarrollar para el control y predicción del
comportamiento de la roca durante la actividad del
minado.
14
DEFINICIONES:
1. ROCA INTACTA
Roca intacta es aquel bloque de roca comprendida
entre discontinuidades y puede ser representado por
una muestra de mano o trozo de testigo y que
generalmente se utiliza para ensayos o pruebas de
laboratorio, también se considera aquella roca que
tiene menos de seis fracturas por metro lineal.
Roca intacta
15
2. DISCONTINUIDADES
Son ocurrencias que están contenidas en los macizos

rocosos y que lo dividen en varias bloques, que
tienen, generalmente, características o propiedades
diferentes. Las discontinuidades constituyen factores
muy importantes de resistencia para el macizo
rocoso. Entre las discontinuidades más comunes
tenemos a:
•Planos de estratificación.
•Fallas.
•Diaclasas.
•Planos de foliación o esquistosidad.
•Contactos litológicos.
•Zonas de corte (zona de cizallamiento).
•Venillas.
16
Plano de estratificación Falla
Plano de foliación
Diaclasa 17
Control litológico Zona de corte
Venillas Falla 18
3. MACIZO ROCOSO
Es el medio in-situ que contiene una serie de
discontinuidades, es heterogéneo y anisotrópico.
Macizo rocoso mostrando los diferentes tipos

de discontinuidades 19
Figura mostrando la transición desde roca intacta a macizo
rocoso muy fracturado 20
CONCEPTO DE ESTRUCTURA APLICADO A
EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS
En la mecánica ingenieril, el término "estructura" esta

asociada a la idea de una serie de elementos
conectados entre si de tal modo que forman un
sistema capaz de soportar cargas externas o debidos
al peso propio de los elementos.
La mecánica de rocas ingenieril, como aplicación a los

problemas prácticos de Ingeniería, está relacionada
con la aplicación de los principios de la mecánica
ingenieril al diseño de estructuras rocosas; la
estructura en esté caso estará constituida por la
masa rocosa.
21
La experiencia ha mostrado que la
estabilidad básicamente depende de:
• los esfuerzos de campo pre-
existentes,
• de la forma y dimensiones de la
excavación y
• de la calidad del macizo rocoso.
22
COMPLEJIDADES INHERENTES EN LA
MECÁNICA DE ROCAS
La mecánica de rocas representa un conjunto

de principios, un bagaje de conocimientos y
varios procedimientos analíticos relacionados
al campo general de la mecánica aplicada.
Cinco temas son postulados de ser

componentes paradigmáticos de la mecánica
de rocas:
23
1. FRACTURA DE ROCA
Los campos de esfuerzos que operan en las

estructuras de roca son predominantemente
compresivos.
Una complicación particular en la roca sujeta a
compresión está asociada con la fricción entre
las superficies de las microfracturas que son
los lugares donde se inicia la fractura de la
roca. Esto es causa para que la resistencia de
la roca sea altamente sensible cuando existen
esfuerzos de confinamiento.
24
2. EFECTOS DEL TAMAÑO
La respuesta de la roca a la carga
impuesta muestra un efecto pronunciado
del tamaño del volumen de la carga. Este
efecto está relacionado en parte a la
naturaleza discontinua de una masa de
roca.
Las juntas y otras fracturas de origen
geológico influyen en las propiedades de
resistencia y deformación de la masa son
influenciados por las propiedades de las
rocas intactas y de las rocas fracturadas o
discontinuas.
25
El proceso de perforación de la roca
generalmente reflejará las
propiedades de resistencia de la roca
intacta. Mientras que el desarrollo
del minado en roca fracturada podría
reflejar las propiedades del sistema
de discontinuidades.
Estas consideraciones sugieren que
las especificaciones de las
propiedades mecánicas de la masa
de roca no es una materia simple.
26
Efecto de la escala (tamaño) en la respuesta de la roca a cargas
impuestas.
(A) Falla del material rocoso en la perforación;
(B) Las discontinuidades controlan la forma final de la excavación;
(C) Un pilar de mina trabajando como un medio continuo.
27
3. RESISTENCIA A LA TENSIÓN
La roca es distinta de todos los otros materiales
comunes de ingeniería, excepto del concreto, por su
baja resistencia a la tensión.
Los especímenes del material de roca ensayados en

tensión uniaxial falla en esfuerzos de magnitud
menor que cuando son ensayados en compresión
uniaxial.
La roca por lo tanto es descrita convencionalmente

como un material “no tensión”, lo que significa que
los esfuerzos de tensión no pueden ser generados o
sostenidos en una masa rocosa.
28
4. EFECTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA
El agua subterránea podría afectar el
performance mecánico de una masa de roca
en dos formas.
El más obvio es a través de la operación de

la ley de esfuerzo efectivo. El agua bajo
presión en las juntas definiendo bloques de
roca reducen el esfuerzo normal efectivo
entre las superficie de la roca, y por
consiguiente reduce la resistencia al corte
potencial el cual puede ser movilizado por
fricción.
29
El efecto más sutil del agua subterránea en
las propiedades mecánicas de la roca
podría surgir de la acción de deterioro del
agua en particular de rocas y minerales.
Por ejemplo, las vetas de arcillas son más

suaves en la presencia de agua
subterránea, reduciendo la resistencia e
incrementando la deformabilidad de la
masa de roca.
30
La implicancia del efecto del agua
subterránea en la resistencia de la masa
rocosa son considerables para la práctica
minera. Porque el comportamiento de la
roca podría ser determinado mediante su
ambiente geo-hidrológico; podría ser
esencial en algunos casos mantener un
control cercano de las condiciones del
agua subterránea en el área de la mina.
31
5. METEORIZACION
La meteorización podría ser definido como la
alteración física y química de la roca en su superficie
mediante su reacción con los gases de la atmósfera y
las soluciones acuosas. El proceso es análogo a los
efectos de la corrosión en materiales convencionales.
El interés ingenieril en la meteorización surge

debido a su influencia sobre las propiedades
mecánicas del material intacto, también como el
potencial para el efecto significativo en el coeficiente
de fricción de la superficie rocosa. Esto significa que
mientras que la meteorización causa una reducción
constante en las propiedades de la roca, el
coeficiente de fricción de una roca podría sufrir una
reducción elevada.
32
Aunque los procesos tal como el ciclo térmico y la
insolación podrían ser importantes en el minado
superficial, los procesos de meteorización
subterráneo son principalmente químicos en su
origen. Esto incluye la disolución y un fenómeno
de intercambio de iones, oxidación e hidratación.
Algunas acciones de meteorización son

apreciados fácilmente tales como la disolución de
la caliza en un ambiente subterráneo alterado, o
el ablandamiento del mármol debido a la
remoción del sulfato. En otros tales como la,
oxidación de la pirrotita, la susceptibilidad de
algunas formas del mineral para un ataque
químico rápido no se comprende completamente.
33
Un problema de meteorización de este caso particular
es presentado en rocas básicas que contiene
minerales tales como olivino y piroxenos. Un
producto de la hidrólisis es la montmorillonita, el cual
es una arcilla con un comportamiento mecánico
especialmente intratable.
Esta discusión no identifica todos los temas a ser
considerados en la mecánica de rocas. Sin embargo,
es claro que la materia trasciende los dominios de la
mecánica aplicada tradicional, y debe incluir un
número de tópicos que no son vistos en ninguna
disciplina de la ingeniería.
34

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Como ciencia data desde el año 1950,

La industria minera sud africana solicitó al South

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El problema de la ingeniería mecánica que existe en

“La Mecánica de Rocas es la ciencia

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La mecánica de rocas forma parte de la

Primero: Que a la masa rocosa se le puede

Segundo: El proceso del minado subterráneo

Son ocurrencias que están contenidas en los macizos

Macizo rocoso mostrando los diferentes tipos

En la mecánica ingenieril, el término "estructura" esta

La mecánica de rocas ingenieril, como aplicación a los

La mecánica de rocas representa un conjunto

Cinco temas son postulados de ser

Los campos de esfuerzos que operan en las

Los especímenes del material de roca ensayados en

La roca por lo tanto es descrita convencionalmente

El más obvio es a través de la operación de

Por ejemplo, las vetas de arcillas son más

El interés ingenieril en la meteorización surge

Algunas acciones de meteorización son

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