MECANICA DE ROCAS

La disciplina Mecnica de Rocas estudia las

propiedades y comportamiento mecnico de las rocas,
con el fin de disear y construir con criterios de
ingeniera obras temporales (generalmente mineras) u
obras permanentes (generalmente civiles), empleando
la roca como material estructural.

Su finalidad es conocer y predecir el comportamiento

de las rocas ante la accin de las fuerzas internas y
externas que se ejercen sobre ellas.
En Mecnica de Rocas, el material de construccin
(masa rocosa) se caracteriza por ser discontinuo,
anisotrpico y no estandarizado (a diferencia del
concreto, fierro de construccin y/o acero estructural.
Los materiales son "istropos" cuando sus propiedades
fsicas se mantienen constantes a travs de ellos sin
cambiar su magnitud, independientemente del ngulo u
orientacin en el cual se estn midiendo. Como se
observa en la FIGURA 1a, los ejes x, y, y z representan
las propiedades del cubo, de manera que si se tiene una
cantidad de esferas dentro del cubo estas van a tener la
misma forma y no varan las propiedades del material.
Los modelos istropos son comnmente usados para la
determinacin de las propiedades mecnicas de las
rocas. Se asume para un fcil entendimiento y para
disminuir la complejidad en los clculos.
La anisotropa es la diferencia de las magnitudes de
las propiedades fsicas cuando son observadas en
distintas direcciones de un cuerpo.
Estas propiedades pueden ser de resistencia a esfuerzos,
de deformacin (e.g. mdulo de deformacin elstica),
hidrulicas (e.g. permeabilidad), o de frecuencia de
fracturamiento.
Las rocas que componen la corteza terrestre son
"anistropos y sus propiedades fsicas varan de
acuerdo con la orientacin en la cual se realizan las
medidas. Como se observa en la FIGURA 1b, las esferas
tienden a alinearse en cierta direccin, de manera que,
si por ejemplo, se estuviera midiendo su permeabilidad,
el flujo tendra una direccin preferencialmente
horizontal.

Factores que generan anisotropa en las rocas

Entre los factores que generan anisotropa en las rocas
se encuentra la estratificacin, las fracturas, el
contenido de arcilla por su estructura laminar, y la
foliacin.
Por ello incluye muchos aspectos como:
-Seleccin geolgica y estudio del lugar.
-Medicin o estimacin de los esfuerzos de campo
iniciales.
-Muestreo y determinacin de las propiedades fsicas y
mecnicas de la masa rocosa.
-Diseos fundamentados en:
a) Modelos empricos: basados en la determinacin
cuantitativa de factores relevantes en el
comportamiento mecnico y correlacin estadstica de
casos anteriores.
b) Modelos numricos: basados en principios de la teora
de la elasticidad y en la teora de la plasticidad.
Los ensayos de laboratorio permiten caracterizar al
material estructural (masa rocosa) con fines de
diseo y construccin.

Su aplicacin en las obras es:

Cuando la roca es soporte de otras estructuras
(cimentaciones de edificios, presas etc)
Cuando la roca constituye la estructura
(excavaciones de tneles, taludes etc)
Cuando la roca es material de construccin (material
de prstamo, terraplenes, rellenos etc)
 Ingeniera civil
Minera a cielo abierto

Minera subterrnea
Cuando el macizo rocoso es excavado o se construye
sobre el, se modifican las condiciones iniciales de este,
la respuesta a estos cambios es la deformacin o la
ruptura o ambos.

El conocimiento de las deformaciones y las tensiones

que puede llegar a soportar el macizo rocoso en estas
nuevas condiciones, permite evaluar su
comportamiento mecnico y abordar el diseo de
estructuras y obras de ingeniera.

La relacin entre ambos parmetros describe el

comportamiento de los macizos rocosos, el que
depende de las propiedades fsicas y mecnicas y de
las condiciones a los que estn sometidos en la
naturaleza.
Parmetros de la Mecnica de Rocas

La deformabilidad de los macizos rocosos

Relacin entre esfuerzo deformacin
La resistencia de los macizos rocosos
Condiciones que producen su ruptura
Estado del esfuerzo en condiciones iniciales
Estado de los esfuerzos que se desarrollan en los
macizos en virtud de las solicitaciones aplicadas
Problemas estticos y dinmicos debidos al flujo de
agua
Aplicaciones de la mecnica de rocas
EXCAVACIONES A CIELO ABIERTO
Explotacin de bancos de roca para ser usados en:
Material de mejoramiento
Pedraplenes
Agregado para hormign
Cortes en vas
Extraccin de materiales varios

EXCAVACIONES SUBTERRNEAS
Explotacin de minerales
Tneles para vas
Tneles para conduccin de aguas
Casa de mquinas hidroelctricas
Almacenamiento de desperdicios atmicos
Para alojar tuberas de presin
Almacenamiento de armas

CIMENTACIN DE PRESAS
Torres de tomas de agua
Torres de transmisin
Edificios
Estructuras urbanas
Reactores
Radares
puentes
OTRAS APLICACIONES
FRACTURAMIENTO HIDRULICO PARA
EXPLOTACIN DE PETRLEO
ACTIVACIN DE POZOS GEOTRMICOS
TRATAMIENTO DE MASAS ROCOSAS MEDIANTE
INYECCIONES
 PROPIEDADES FISICAS

Controlan las caractersticas resistentes y

deformacionales de la roca intacta o matriz rocosa,
son el resultado de su gnesis, de las condiciones y
procesos geolgicos y tectnicos sufridos por las
rocas a lo largo de su historia.
Propiedades fsicas ndices de las rocas

Las propiedades de las rocas son muy variables por su

variedad y componentes. Interesa tener una descripcin
cuantitativa de las rocas con un cierto numero de
medidas bsicas.

Algunas propiedades son fciles de medir denominadas

ndices, estos se obtienen mediante ensayos de
laboratorio con probetas de roca intacta.

Se clasifican las rocas para su uso en ingeniera,

relacionadas principalmente con el comportamiento de la
matriz rocosa y no para el macizo rocoso.
Propiedades ndices.
Porosidad.-
Es la proporcin de volumen de vacios con relacin al
volumen total expresado en porcentaje

n(%)=Vp/Vt x 100

Es la propiedad que mas interviene o afecta las

caractersticas resistentes y mecnicas de las rocas.
Es inversamente proporcional a la resistencia y a la
densidad; es directamente proporcional a la
deformabilidad (Modulo de Elasticidad y Poisson), ya que
esto aumenta las zonas de debilidad.

La porosidad representa un ndice de la calidad de la roca

Los valores tpicos son mas bajos que en los suelos
Valores tpicos de porosidad
Rocas sedimentarias:
Factor responsable poros
Puede variar entre 0<n<90%
Arenisca media n=15%
n depende del cementante

Rocas gneas y metamrficas:

Factor responsable fisuras
Normalmente n<1 a 2%
n aumenta con la meteorizacin hasta 20% o mas
n disminuye con la profundidad y la edad

Valores normales de la porosidad es 15 a 30 %.

En algunos casos el valor de porosidad es
suficiente pero para una descripcin completa se
requerir adems del valor de densidad. Un valor
bajo en la densidad seca de la roca generalmente
se relaciona con un valor de porosidad alto.
Peso especifico

Denominado tambin peso unitario, se define por el

peso de la muestra (Wm) por unidad de volumen de la
muestra (Vm).

= Wm/Vm

Tambin se puede obtener el Peso especifico por la

siguiente formula:
= *g

Donde es la densidad de la roca y g es la gravedad.

No se debe confundir el peso especifico con la densidad.
Densidad

Nos da informacin acerca de la composicin de la

roca.
El rango de variabilidad de la densidad de las rocas es
mucho mayor que la de los suelos.
Existe una buena relacin entre la densidad especifica
y:
- La resistencia
- La velocidad de transmisin de las ondas
- Algunas constantes elsticas
Esta dada por la formula
= m/v
Contenido de agua

Es la relacin entre el peso del agua contenida en

una roca y el peso de su fase slida. Se expresa en
porcentaje
Est muy ligado a la porosidad de la muestra y a la
profundidad de la que proviene.
A mayor contenido de agua mayor disminucin de
la resistencia
El valor de absorcin representa cuanta agua puede
introducirse en una roca por lo que puede
aumentar la presin de poros, lo cual hace que
decrezcan los valores de resistencia y esfuerzo en
las rocas.
Relacin de la porosidad con la absorcin
de agua para rocas
Peso volumtrico

Es la relacin entre el peso de la muestra y el

volumen de la muestra
El peso y volumen de la muestra se realiza
pesndola en el aire y luego pesndola sumergida
en mercurio
Determinacin del peso volumtrico
Alteracin o meteorizacin

Las rocas al estar expuestas al medio ambiente

sufren modificaciones en su estructura y
composicin mineralgica, modificando sus
caractersticas y propiedades originales

Cuando la roca se altera se incrementa la

porosidad lo que origina mayor absorcin de agua.
Esta dada por la formula:

i(%) = P2-P1/P1x100

i = ndice o grado de alteracin (%)

P1 = Peso del espcimen de la roca.
P2 = Peso de la roca saturada.
Alterabilidad de las rocas
Es la alteracin en el tiempo y espacio.
Factores condicionantes:
Composicin mineralgica
Fisuras de la roca
Agentes agresivos
Tratamiento mecnico a que se somete
Esta dada por la expresin:

J= i/ t 0 = di/dt

t = 0, La roca es inalterable (estado relativo)

t < 0, La roca es alterable (inestable)
T >0, La roca esta en proceso de alteracin, en
transicin a un suelo residual
Uso de la roca de acuerdo con su alterabilidad
Durabilidad
Resistencia de la roca ante los procesos de alteracin.
La durabilidad es fundamental en todas las
aplicaciones practicas de ingeniera.
Las propiedades de la roca se ven alteradas debido a
exfoliacin, hidratacin, oxidacin, abrasin, etc.
Aumenta con la densidad y se reduce si contiene
agua

Slake durability test (SDT) es el ensayo de

durabilidad y mide la resistencia a la disgregacin en
ciclos estndar de humedad-sequedad-
desmoronamiento
Ciclo:
secado en estufa a 105
200 vueltas en tambor en 10 min
Se suelen usar dos ciclos
Sensitividad

La sensitividad se establece al analizar la variacin de

la permeabilidad al cerrarse o abrirse las fisuras bajo
el efecto de una modificacin del estado de esfuerzos
aplicados.

Para medir dichas variaciones de permeabilidad se

realiza una prueba que consiste en utilizar una
probeta cilndrica de roca con una perforacin central
la cual se somete a dos tipos de flujo.
1.Flujo convergente y
2.Flujo divergente
Tipos de flujo para obtener la sensitividad de
una muestra de roca
Velocidad de transmisin de ondas
Relativamente fcil de determinar, tanto ondas
transversales como longitudinales
La velocidad de transmisin depende, en teora,
nicamente de las propiedades elsticas y de la
densidad de las rocas
La velocidad de las ondas longitudinales o de
compresin Vp, se utiliza como ndice de
clasificacin, su valor indica la calidad de la roca, se
correlaciona linealmente con la resistencia a la
compresin simple c.
La velocidad de transmisin de ondas puede servir
como ndice del grado de fracturamiento de una
roca.
ndice de calidad

IQ(%) = V/V*x100%

Donde:
V: Es la velocidad real de transmisin de ondas en la
muestra
V*: Es la velocidad de transmisin de ondas en una
muestra de la misma roca sin poros ni fisuras.
Para las rocas la velocidad varia entre 1.000 a 6.000
m/seg
Las rocas alteradas y meteorizadas tienen valores
menores de 900 m/seg
 Propiedades mecnicas de las rocas

Son de tipo cuantitativo que permiten predecir el

comportamiento mecnico de los macizos rocosos
y son directamente aplicables dentro del diseo
ingenieril.

Las propiedades mecnicas ms importantes son:

1.Permeabilidad
2.Deformacion
3.Resistencia
Permeabilidad

Es la propiedad de las rocas de permitir el paso de

fluidos a travs de ellos
Una roca es permeable cuando permite el paso de
una cantidad medible de fluido en un espacio de
tiempo finito
Factores que influyen en la permeabilidad:
Temperatura
Existencia de cavidades
Estratificacin y estructura
 Importante en casos prcticos:
- Extraccin por bombeo de agua, petrleo, gas etc.
- Almacenaje de residuos en formaciones porosas
- Almacenaje de fluidos en cavernas
- Estimacin de la capacidad de retencin del agua en
embalses
- Eliminacin de agua en cavernas profundas

La presencia de fisuras altera radicalmente la

permeabilidad de la roca matriz obtenida en el
laboratorio siendo necesarios ensayos de bombeo in
situ
Pruebas de permeabilidad
El ensayo Lugeon es un ensayo de permeabilidad
mediante inyeccin de agua que se realiza en el
interior de un sondeo y que se sirve de un obturador
para aislar el tramo a ensayar, permitiendo de esta
manera alcanzar presiones considerables (10
kp/cm2). El ensayo es adecuado para terrenos
resistentes por lo que es de uso frecuente en rocas.
Los resultados se suelen expresar en unidades
Lugeon.
Una unidad Lugeon es la prdida de 1 litro por
minuto y metro lineal bajo una presin de 10 kg/cm2,
lo que equivale aproximadamente 110-7 m/s
A partir de las mediciones de caudal se pueden
presentar resultados mediante grficos Profundidad-
Admisin o bien grficos Presin-Caudal de cuyo
anlisis se puede deducir el comportamiento del
macizo rocoso frente a las filtraciones. La
permeabilidad obtenida es una medida aproximada
de la permeabilidad local. El ensayo es representativo
en la medida en que la zona ensayada atraviese un
nmero suficiente de discontinuidades
Deformacin

Cuando se somete una muestra de roca a una carga

esta tiende a cambiar de forma, de volumen o bien
ambas simultneamente, lo que depende de la
naturaleza de la roca, la magnitud y naturaleza del
esfuerzo y el tiempo empleado en la deformacin.

Durante el perodo de aplicacin del esfuerzo, este y

la deformacin son inseparables, por lo que se
acostumbra a estudiar a la deformacin mediante
grficas conocidas como Esfuerzo-Deformacin
Curvas de Deformacin
La deformacin y el esfuerzo estn relacionadas entre
s por el mdulo de Young (E) y el coeficiente de
Poisson (), que son dos constantes elsticas e
independientes propias de cualquier material
homogneo e istropo. Su uso es para determinar la
elasticidad de la masa rocosa y la respuesta de la
roca ante los esfuerzos inducidos.

El mdulo de elasticidad longitudinal o mdulo de

Young (E) relaciona la tensin segn una direccin
con las deformaciones unitarias que se producen en
la misma direccin.
El mdulo de elasticidad transversal (G) mdulo de
cortante o mdulo de cizalla, para la mayora de los
materiales istropos guarda una relacin fija con
el modulo de elasticidad longitudinal y el coeficiente
de Poisson:

El coeficiente de Poisson (corresponde a la razn

entre la elongacin longitudinal y a la deformacin
transversal en un ensayo de traccion.
Alternativamente puede calcularse a partir de los
mdulos de elasticidad longitudinal y transversal

Segn la naturaleza de los esfuerzos que actan en

una masa rocosa, se diferencian entre normales
(como la presin litosttica), tangenciales (cuando son
tectnicos), o hidrostticos (como la presin
hidrosttica); segn acten perpendicularmente a un
plano, con un cierto ngulo, o bien acten de idntica
forma en todas las direcciones.
Fluencia (creep):
Deformacin de un material sometido a una tensin durante mucho
tiempo.
Aumento de las deformaciones bajo tensiones constantes

Tipos de deformacin:
O A: Deformacin elstica instantnea
A B: Fluencia primaria o transitoria
(deformaciones diferidas a velocidades de deformacin decreciente)
B C: Fluencia secundaria o permanente (velocidad de deformacin
constante)
C D: Fluencia terciaria (velocidad de deformacin creciente)
D: Rotura
La deformacin elstica corresponde al conjunto de
cambios dimensionales que experimenta un cuerpo,
solo mientras acta una fuerza exterior, y al cesar sta,
recupera su estado inicial. En este caso el material se
comportara siguiendo la ley de Hooke.

d = P l/ES (ley de Hooke).

Donde:
d= Es el alargamiento sometido al esfuerzo de traccin
P= Esfuerzo
l = Longitud
E= Mdulo de elasticidad o mdulo de Young
S= Seccin transversal
Si la deformacin es plstica, las variaciones
dimensionales sufridas por el material durante la
accin de las fuerzas exteriores continan al cesar
dichas fuerzas, es decir, son permanentes.

Las unidades del esfuerzo y sus equivalencias ms

comunes, son: 1bar = 106 dinas / cn.2 = 105
newtons / m2 = 0,1 megapascales. Y en
consecuencia 10 kilobars = 109 pascales = 1
gigapascal.

Los mecanismos y el carcter de la deformacin se

pueden estudiar en el laboratorio de forma
experimental (ensayos de corte directo, de
compresin uniaxial o triaxial, de extensin) al crear
modelos tericos basados en las caractersticas de
las rocas, la naturaleza de los esfuerzos y el tipo de
deformacin (elstica, plstica, frgil). Mediante estos
experimentos pueden simularse condiciones de alta
presin y temperatura existentes en profundidad, para
estudiar el comportamiento de las rocas frente a ellos,
as como frente a los esfuerzos dirigidos (tectnicos),
que originan plegamiento y fracturacin; y los
originados por terremotos en profundidad.

La deformacin en las rocas puede estudiarse a escala

microscpica (cambios en las microporosidades y
cristales existentes en las rocas), o bien a mayor
escala, donde los cuerpos rocosos presentan cambios
qumicos, fsicos y estructurales en respuesta a los
esfuerzos.
Los lmites de la deformacin (en el
comportamiento plstico, elstico, o frgil)
depende de la temperatura, presin de
confinamiento, presencia de fluidos, el rango de
esfuerzos y el tiempo empleado en producir la
deformacin de las rocas, esto es, de las
condiciones que reinen durante el proceso.

Durante la deformacin plstica, el esfuerzo

aplicado no es proporcional a la deformacin
generada, puesto que en determinadas
condiciones, un pequeo incremento del esfuerzo
conlleva una gran deformacin permanente en los
materiales rocosos.
El comportamiento plstico depende de la viscosidad de
los materiales a los que afecta, razn por la cual las
condiciones de elevada temperatura y velocidad de
deformacin muy lenta caracterizan este tipo de
deformacin. La reologa es la parte de la fsica que
estudia la deformacin de los materiales en estado
plstico, o capacidad de los materiales fluyentes (esto
es su viscosidad). La viscosidad (h) se mide en poises,
unidad equivalente a una dina-segundo por centmetro
cuadrado.
Condicionantes de la deformacin - Los factores
que reinan durante la deformacin (presin de
confinamiento, presin intersticial, temperatura,
tiempo empleado, magnitud de los esfuerzos, o la
compactacin) condicionan enormemente los lmites
de la deformacin y las caractersticas que presentan
las rocas frente a un estado de esfuerzos. La
elevacin de la presin de confinamiento produce un
aumento de las condiciones de deformacin elstica,
previas a la rotura; la presin intersticial reduce la
accin de los esfuerzos de la presin confinante
sobre un material rocoso y disminuye, por tanto, su
deformacin; la temperatura reduce la resistencia de
los materiales y aumenta el campo donde acta la
deformacin dctil; las deformaciones producidas a
velocidades muy lentas permiten el desarrollo del
campo dctil, mientras que a velocidades elevadas la
deformacin es de tipo frgil; la magnitud de los
esfuerzos varan las propiedades mecnicas de las
rocas, con pequeas magnitudes de esfuerzo se
facilita la deformacin dctil, mientras que las grandes
magnitudes se caracterizan por la fragilidad con la que
responde el material rocoso; y la compactacin, que
aumenta con la profundidad, aumenta la cohesin de
las rocas, lo que dificulta su rotura (deformacin
frgil).

Por esta razn, rocas tpicamente frgiles en

condiciones superficiales pueden deformarse
dctilmente en profundidad, donde la temperatura,
presin confinante y el tiempo empleado durante la
deformacin (millones de aos), etc; varan la
resistencia que presenta a deformarse frente a un
estado de esfuerzos concreto. Dependiendo del
estado de esfuerzos y las condiciones anteriormente
citadas, la deformacin puede ser de tipo frgil
(fracturas, fallas), o bien dctiles (pliegues).