MECANICA DE ROCAS

GEOTECNIA APLICADA A LAS VIAS

TERRESTRES
Docente:
LUIS GERARDO CASTRO MATIAS
Integrantes:
García García Emmanuel

Grupo 702
 Introducción
La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y práctico de
las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales
rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas
en su entorno físico.El desarrollo de la mecánica de rocas se
inició como consecuencia de la utilización del medio geológico
para obras superficiales y subterráneas y explotación de
recursos mineros. Los distintos ámbitos de aplicación de la
mecánica de rocas se pueden agrupar en aquellos en que el
material rocoso constituye la estructura (excavación de
túneles, galerías, taludes, etc.), aquellos en que la roca es
el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios,
presas, etc.) y aquellos en los que las rocas se emplean como
material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos,
etc.).
 4.1 Propiedades físicas y
mecânicas de las rocas
Las propiedades físicas de las rocas son el resultado de su
composición mineralógica, fábrica e historia geológica,
deformacional y ambiental, incluyendo los procesos de
alteración y meteorización. La gran variabilidad de estas
propiedades se refleja en comportamientos mecánicos diferentes
frente a las fuerzas que se aplican sobre las rocas,
comportamientos que quedan definidos por la resistencia del
material y por su modelo de deformación; así mientras un
granito sano se comporta de forma elástica y frágil frente a
elevadas cargas, una marga o una lutita pueden presentar un
comportamiento dúctil ante esfuerzos moderados o bajos.
Propiedades físicas
de la matriz rocosa

Existen una serie de parámetros

que se emplean para la
identificación y descripción
cuantitativa de las propiedades
básicas de las rocas y permiten,
así mismo, establecer una primera
clasificación con fines
geotécnicos.
Estas propiedades, denominadas
propiedades índice, serán las que
determinen en primera instancia,
junto con la composición
mineralógica y la fábrica, las
propiedades y el comportamiento
mecánico de la matriz rocosa..
4.2 Comportamiento y caracterización
de los macizos rocosos
La descripción y caracterización de los macizos rocosos en
afloramientos es una labor necesaria en todos los estudios de
ingeniería geológica cuyo objetivo sea el conocimiento de las
propiedades y características geotécnicas de los materiales
rocosos. Estos trabajos se realizan durante las primeras
etapas de las investigaciones in situ.

La caracterización de campo del macizo rocoso es un ejercicio

progresivo que comienza con una descripción general de las
condiciones del terreno, y con la identificación y
clasificación de los materiales que forman los macizos. Las
observaciones posteriores más complejas sobre propiedades y
factores concretos pueden aumentar el grado de interpretación
y por tanto de subjetividad.
La descripción general del afloramiento debe incluir la
identificación, condiciones y características generales del
afloramiento y la de cada uno de sus componentes: rocas,
suelos, zonas con agua, discontinuidades singulares, etc.

La división en zonas más o menos homogéneas serealiza a partir

de criterios fundamentalmente litológicos y estructurales. El
número de zonas que se establezca y la extensión de las mismas
dependerá del grado de heterogeneidad de los materiales y
estructuras que formen el macizo rocoso, de la extensión del
afloramiento y del grado de detalle y finalidad de la
investigación. Se deben describir las características
generales de cada zona (Figura 4.1).
 4.3 Rotura frágil de las rocas
El proceso de rotura de las rocas es muy variado y complejo,
englobando varios tipos de fenómenos de manera conjunta e
interviniendo múltiples factores. El análisis de la rotura en
rocas es más complejo que en suelos. A continuación se
describen los distintos mecanismos de rotura en el medio
rocoso, ilustrándolos con algunos ejemplos a nivel de macizo
rocoso

Rotura por esfuerzo cortante. Se produce cuando una

determinada superficie de la roca está sometida a esfuerzos de
corte suficientemente altos como para que una cara de la
superficie deslice con respecto a la otra. Son ejemplos las
roturas a favor de discontinuidades en taludes de macizos
rocosos o en los techos de galerías sobre hastiales rígidos.
 Tipos de rotura
Rotura por compresión. Tiene lugar cuando la roca sufre
esfuerzos a compresión. Microscópicamente se producen grietas
de tracción y planos de corte que progresan en el interior de
la roca.

Rotura por flexión. Se produce cuando una sección de la roca

está sometida a momentos flectores. En realidad la sección
está sometida a unas tensiones normales variables, rompiéndose
por la zona donde se acumulan las tracciones.

Rotura por tracción. Este tipo de rotura se produce cuando la

disposición y/o estructura del macizo rocoso hace que una
cierta sección de la roca esté sometida a una tracción pura o
casi pura.
Rotura por colapso. Una rotura por colapso mecánico se produce
bajo condiciones de compresión isotrópica, es decir, cuando el
material recibe compresiones en todas las direcciones del
espacio.
 4.4 Discontinuidades
Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos
rocosos condicionan de una forma definitiva sus propiedades y
comportamiento resistente, deformacional e hidráulico. Las
discontinuidades imprimen un carácter discontinuo y anisótropo
a los macizos, haciéndolos más deformables y débiles, lo que
supone una gran dificultad para evaluar el comportamiento
mecánico de los mismos frente a las obras de ingeniería. Las
discontinuidades representan planos preferentes de alteración,
meteorización y fractura, y permiten el flujo de agua
 Tipos de discontinuidad
En el Cuadro 3.17 se han agrupado los diferentes tipos de
discontinuidades en sistemáticas, cuando aparecen en familias,
y singulares, cuando aparece un único plano que atraviesa el
macizo rocoso; estos últimos suelen ser más continuos y
persistentes que las discontinuidades sistemáticas, pudiendo
llegar, en el caso de las fallas, a dimensiones de varios
kilómetros.
Caracteristicas

La orientación de una
discontinuidad en el espacio queda
definida por su buzamiento y por
su dirección de buzamiento. La
determinación de la orientación
media de cada familia se establece
a partir de valores estadísticos
representativos.
Los bloques diagrama representan
tridimensionalmente la
distribución de los planos, y se
puede visualizar de una forma
sencilla la orientación de la
fracturación con respecto a una
obra o estructura.
El espaciado es la distancia media La abertura es la distancia
perpendicular entre los planos de perpendicular que separa las
discontinuidad de una misma paredes de la discontinuidad
familia. Influye en el cuando no existe relleno.
comportamiento global de macizo
rocoso y define el tamaño de los
bloques de matriz rocosa que
forman las diferentes familias.

La continuidad es la extensión del

plano de discontinuidad. Define en
gran parte si la matriz rocosa va
a estar involucrada o no en los
procesos de rotura del macizo
rocoso, y en qué grado condiciona
los parámetros resistentes
globales del mismo.

La rugosidad de un plano de
discontinuidad determina su
resistencia al corte. A mayor
rugosidad mayor es la resistencia.
 4.5 Clasificación geomecánica de
los macizos rocosos
La descripción y medida de las características y propiedades
de la matriz rocosa y de las discontinuidades y de los
parámetros del macizo rocoso, proporcionan los datos
necesarios para la evaluación geomecánica global del macizo.

A partir de estos datos, la aplicación de las clasificaciones

geomecánicas permite estimar la calidad y los parámetros
resistentes aproximados del macizo, en términos de cohesión y
fricción.
 Caracterización global
Para completar la caracterización global del macizo rocoso es
también necesario evaluar otros aspectos que, en gran manera,
influyen en su comportamiento mecánico, como son:

— Resistencia y deformabilidad.
— Comportamiento hidrogeológico.
— Estado tensional.

La determinación de la resistencia y deformabilidad de un

macizo rocoso fracturado puede ser compleja al depender de las
propiedades resistentes de la matriz rocosa y de las
discontinuidades, más aún considerando los diversos tipos y
características de éstas últimas que pueden coexistir en el
macizo.
 4.6 Tensiones naturales y
deformaciones en las rocas
Los materiales geológicos se encuentran sometidos a tensiones
naturales como consecuencia de su historia geológica. Las
tensiones en el interior de un macizo rocoso están producidas
por las fuerzas exteriores aplicadas y por el peso del propio
material. El estado o sistema de esfuerzos resultante suele
ser bastante complejo. El carácter heterogéneo, discontinuo y
anisótropo de los macizos rocosos hace, además, que el estado
de esfuerzos pueda variar de forma importante entre zonas
próximas.

Los esfuerzos tectónicos son la causa principal de las

tensiones almacenadas en las rocas y que pueden liberarse de
muy distintas formas, desde terremotos y desplazamientos en
fallas hasta explosiones de roca, fracturas y deformaciones en
excavaciones subterráneas.
 Tensiones
El estado tensional en la corteza obedece a distintas causas,
siendo las principales:

— Tensiones de origen tectónico.

— Tensiones gravitación ales.
— Tensiones de origen no renovable.

Las tensiones de origen tectónico son las responsables del

movimiento de las placas litosféricas y constituyen la fuente
principal de los esfuerzos presentes en las rocas.

Las tensiones gravitacionales o litostáticas se producen como

consecuencia del peso de los materiales geológicos.
Las tensiones de origen no renovable pueden ser generadas por
efectos térmicos sobre los materiales rocosos, por flexiones o
abombamientos en la corteza o como consecuencia de cambios en
el radio de curvatura de una placa tectónica

El mecanismo que produce las tensiones térmicas es la

expansión o contracción que sufre una roca homogénea cuando se
calienta o enfría lentamente.
 4.7 Resistencia y deformabilidad
de la matriz rocosa
La resistencia es función de las fuerzas cohesivas y
fricciónales del material (además de otros factores
extrínsecos al material rocoso). La cohesión, c, es la fuerza
de unión entre las partículas minerales que forman la roca. El
ángulo de fricción interna,Φ, es el ángulo de rozamiento entre
dos planos de la misma roca; para la mayoría de las rocas éste
ángulo varía entre 25° y 45°. La fuerza friccional depende del
ángulo de fricción y del esfuerzo normal, an, actuando sobre
el plano considerado.

La resistencia de la roca no es un valor único, ya que además

de los valores de c y (/>, depende de otras condiciones, como
la magnitud de los esfuerzos confinantes, la presencia de agua
en los poros o la velocidad de aplicación de la caiga de
rotura.
 Deformabilidad
La deformabilidad es la propiedad que tiene la roca para
alterar su forma como respuesta a la actuación de fuerzas.
Según sea la intensidad de la fuerza ejercida, el modo en que
se aplica y las características mecánicas de la roca, la
deformación será permanente o elástica; en este último caso el
cuerpo recupera su forma original al cesar la actuación de la
fuerza.
La deformabilidad de la roca se expresa pormsus constantes
elásticas E y v:
 4.8 Resistencia y deformabilidad
de macizos rocosos
Resistencia
La resistencia de los macizos rocosos es función de la
resistencia de la matriz rocosa y de las discontinuidades,
siendo ambas extremadamente variables, y de las condiciones
geoambientales a las que se encuentra sometido el macizo, como
las tensiones naturales y las condiciones hidrogeológicas. La
presencia de zonas tectonizadas, alteradas o de diferente
composición litológica, implica zonas de debilidad y
anisotropía con diferentes comportamientos y características
resistentes. Estas circunstancias determinan una gran
complejidad en la evaluación de la resistencia de los macizos
rocosos.
 Resistencia
La resistencia puede evaluarse en términos del máximo esfuerzo
que puede soportar para unas determinadas condiciones y en
términos de sus propiedades resistentes, c y Φ, parámetros que
habitualmente se necesitan para los cálculos de los proyectos
de las obras de ingeniería.
 Deformabilidad de los macizos
rocosos
La deformabilidad de un macizo rocoso viene dada por las
relaciones entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones
producidas, y queda definida por su módulo de deformación, que
relaciona la tensión o esfuerzo con la deformación
correspondiente.

La deformabilidad, al igual que las demás propiedades de los

macizos, presenta un carácter anisó tropo y discontinuo, por
lo que su determinación resulta compleja, siendo uno de los
problemas sin resolver adecuadamente en mecánica de rocas.

Los módulos de deformación están relacionados mediante la

expresión (Goodman, 1989):
Criterios de rotura de macizos
rocosos
Ensayos in situ
Criterios de deformación de
macizos rocosos
 4.9 Clasificaciones geomecánicas
Los macizos rocosos, como medios discontinuos, presentan un
comportamiento geomecánico complejo que, de una forma
simplificada, puede ser estudiado y categorizado en función de
su aptitud para distintas aplicaciones. Con este objetivo
surgieron las clasificaciones geomecánicas, que aportan,
mediante la observación directa de las características de los
macizos rocosos y la realización de sencillos ensayos, índices
de calidad relacionados con los parámetros geomecánicos del
macizo y sus características frente a los sostenimientos de
túneles y taludes y la excavabilidad de las rocas, entre
otros.

Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en

la actualidad son la RMR y la Q.
Clasificación
RMR
Desarrollada por Bieniawski en
1973, constituye un sistema de
clasificación de macizos rocosos
que permite a su vez relacionar
índices de calidad con parámetros
geotécnicos del macizo y de
excavación y sostenimiento en
túneles. Esta clasificación tiene
en cuenta los siguientes
parámetros geomecánicos:

• Resistencia uniaxial de la matriz

rocosa.
• Grado de fracturación en términos del
RQD.
• Espaciado de las discontinuidades.
• Condiciones de las discontinuidades.
• Condiciones hidrogeológicas.
• Orientación de las discontinuidades
con respectoma la excavación.
 Las clasificaciones geomecánicas
en la práctica
Las clasificaciones geomecánicas constituyen un procedimiento para la
caracterización de los macizos rocosos a partir de datos de
afloramientos y sondeos, y se aplican principalmente a los túneles,
dada la dificultad del estudio de los macizos rocosos en profundidad.

El cálculo del índice RMR permite estimar los parámetros de resistencia

y deformabilidad del macizo, y establecer su posible comportamiento
frente a excavaciones.
Para su aplicación es necesario llevar a cabo una serie de
observaciones y medidas en campo, que constituyen la base y la
sistemática práctica de las clasificaciones.

Las clases de macizos rocosos que se obtienen se refieren a las

condiciones previas a la excavación, y en su descripción debe indicarse
si se han aplicado correcciones por orientación de discontinuidades u
otras específicas para los túneles.