PETROLOGIA - MECÁNICA DE ROCAS

TEMA 2. CONTINUACION

ROCA-MACIZO ROCOSOROCA: es una porción de suficiente entidad de la litosfera terrestre o de cualquier cuerpo planetario en la que se mantienen sus propiedades en toda su superficie.Rocas: son agregados naturales duros y compactos de partículas minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se consideran un sistema continuo. TIPOS:Polimineral: asociación o agregado de dos o más minerales, normalmente cristalizados.Monomineral: constituida por una sola especie minera mineral, siempre que tenga entidad volumétrica suficiente o morfológica. Es una asociación de cristales de una especie mineral.

Dentro de del concepto de roca podemos incluir al hielo, el carbón y el petróleo.

ROCA-MACIZO ROCOSO

• MACIZO ROCOSO: consideramos no sólo el material que lo constituye (Matriz Rocosa) sino también sus discontinuidades, alteraciones, propiedades en conjunto, etc. Puede estar constituido por varias rocas asociadas.

• Macizo rocoso: Matriz rocosa (material) + Discontinuidades + capa alterada (regolito) + Agua

• La Roca debe ser homogénea e isótropa. Concepto geológico.

• El Macizo rocoso es heterogéneo y anisótropo. Concepto Ingenieril.

Suelos• Suelo: Agregados naturales de granos

minerales unidos por fuerzas de contacto (cohesión) normales y tangenciales a las superficies de las partículas adyacentes (débiles), separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en agua.

• Autoctonos: regolitos o coluviales.• Alóctonos: han sufrido erosión, transporte y

sedimentación: sedimentos.• En ingeniería lo que no es roca es suelo.• En ingeniería suelo es aquel material que es

rippable.

2.- CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DE LAS ROCAS.

• Las rocas son homogéneas en su composición (dentro de un rango de variabilidad) en toda su superficie e incluso en todo su volumen. Normalmente presentan discontinuidades que hacen que presenten cierto grado de inhomogeneidad. Por el contrario, el macizo rocoso siempre es inhomogeneo.

• Las discontinuidades son superficies o planos de debilidad que separan bloques de matriz rocosa o roca intacta o roca sana.

• Las discontinuidades suelen ser más abundantes en la superficie de la roca o del macizo rocoso y disminuir hacia el interior.

2.- CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DE LAS ROCAS.

• Tipos de discontinuidades: • Microscópicas: diferencia en el tamaño de grano de los

minerales, diferente ordenación de los mismos, microfisuras, etc.

• Macroscópicas: de gran tamaño. Fundamentalmente son planos de debilidad o de rotura de las rocas que se originan al consolidarse las mismas o por esfuerzos posteriores dirigidos (tectónicos) o por la orientación o disposición de cierto tipo de minerales. En general se denominan discontinuidades. Hay varios tipos:– Fisura: rotura no abierta.– Diaclasa: rotura abierta pero sin movimiento o desplazamiento.– Fractura o falla: Rotura abierta con desplazamiento.– Plano de estratificación (R. sedimentarias).– Esquistosidad (R. metamórficas).

3.- CARACTERÍSTICAS

FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA.

Propiedades. Goodman 1980

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA. Goodman 1980

• 1.- Densidad: es la masa por unidad de volumen ρ = m / v.• Peso específico es el peso`por unidad de volumen • Pe (γ) = m.g/v luego m = Pe.v/g• Sustituyendo:• ρ = m / v = Pe. v /g.v = Pe/g = γ/g• La unidad normal es el KN/m3.• Las rocas de la corteza tienen un Pe medio de 26 KN/m3.• Gravedad específica (G) o peso específico relativo de un

sólido es el cociente entre su peso específico (γ) y el peso específico del agua (γw). Siendo γw = 9.8 KN/m3

• G = pe/pew G = γ/ γw

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 2.- Porosidad. (n)• Es la relación entre el volumen de huecos (Vh) y

el volumen total de la roca (Vt).• n = (Vh/Vt)x 100. Se expresa en %.• En general alta, salvo rocas formadas en

profundidad, alta Presión.• Varía con la profundidad dentro de la roca o

macizo rocoso.• Primaria y secundaria.• Grado de saturación (S): es el cociente entre el

volumen de huecos con agua (Vhw) y el volumen total de huecos. S = (Vhw / Vt) x 100

Conglomerados CalizasR. Ígneas y Metamórficas

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 3.- Durabilidad o Alterabilidad.

• Es la permanencia en el tiempo de todas las propiedades de la roca.

• Es la medida de la estabilidad física y química de la roca.

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 4.- Resistencia:

• Es el esfuerzo máximo que puede soportar una roca sin romperse.

• R. Compresión.– Uniaxial: resistencia a la compresión simple.– Triaxial: resistencia con presión confinante.

• R. Tracción.– E. Franklin – E. Brasileño

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 4.- Resistencia: • R. Compresión.

– Uniaxial: resistencia a la compresión simple.– Triaxial: resistencia con presión confinante.

Definida por:

F– σc = -----------

A– Siendo:

σc = Resistencia a la compresión.

F = fuerza aplicada hasta la rotura

A = Sección inicial de la muestra normal a la dirección de la fuerza.

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 4.- Resistencia: • R. Compresión.

– Uniaxial-Triaxial: El mismo ensayo mide la deformabilidad de la roca y se obtiene el módulo elástico y el coeficiente/módulo de Poisson.

– El valor del módulo Elástico estático es

Tensión– E = ----------------------------------

Deformación unitaria– El valor del módulo de Poisson es

Deformación transversal– υ = ----------------------------------------

Deformación longitudinal

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 4.- Resistencia: • R. Tracción.

– E. Franklin – E. Brasileño

– P

– σtb = --------------

– π R H– Siendo:

– σtb = Resistencia a la Tracción.

– P = Carga de rotura– R = Radio de la sección transversal de la probeta.– H = Longitud de la probeta

σtb en MPa Resistencia

30 Muy fuerte

10 Fuerte

5 Media

2 Débil

Valoración de los resultados del ensayo brasileño

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 5.- Permeabilidad o conductividad hidráulica (k).• Es la menor o mayor facilidad que presenta un

material para ser atravesado por el agua. • Equivale a una velocidad. m/día ó cm/s• Ley de Darcy: Q = k A h/l = k A i

– Q = caudal.– A = sección.– h = diferencia de altura.– l = recorrido del agua.– h/l = gradiente hidráulico.

• No tiene por que coincidir con la porosidad.

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 5.- Permeabilidad o conductividad hidráulica (k).• No tiene por que coincidir con la porosidad,

aunque normalmente lo hacen. – Excepción: pizarras y arcillas alta n y baja k.

• A la inversa no se cumple. Todas las rocas con alta k tienen alta n. Excepción:

• La permeabilidad de una roca está relacionada– Porosidad– Conductos

• Disoluciones• Grietas de contracción: basaltos.

– Fisuras, diaclasas, etc

3.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS.

• 6.- Velocidad sónica. • No intríseca. Depende no solo de la mineralogía

sino de la presencia de planos de debilidad, composición, estructura, etc.

• Mide la velocidad con la que una onda sónica atraviesa la roca.

• Índice de calidad de la roca de Fourmaintreaux : IQ = 100 x (VI/VI*)– VI = velocidad de las ondas p en la roca sana

(testigo).– VI* = Velocidad de las ondas p en la matriz rocosa

(campo).

SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALESSEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES

E sq u isto sC a liza sC o n g lo m e ra d o s

A ren isc a sB a sa ltoG ra n itoA rc illa sS u e lo

0 1000 2000 3000 4000

R ip a b le M a r g in a lm en ter ip a b le

v o la d u ra

m / sg

pro

du

cció

n b

m

/ hor

a

2 0 00

1 0 00

3

(u n a u ñ a)D 9 H

3. Ripabilidad / voladura

3. Ripabilidad / voladura

Bancos de menos de 30 cm

Tres familias de discont. por m3

Bancos de menos de 30 cm

Tres familias de discont. por m3

D9H

SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALESSEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES

3. Características geomecánicas3. Características geomecánicas

• Velocidad “P”, caract. Geotéc.• Índices de fisuración• Módulos dinámicos•Características de materiales a remover

• Velocidad “P”, caract. Geotéc.• Índices de fisuración• Módulos dinámicos•Características de materiales a remover

0 5 0 1 0 0

R Q D

0 .0

0 .5

1 .0

M M N EBM

If = (V

c / V1 ) 2

• Velocidad “P”, características Geotécnicas• Velocidad “P”, características Geotécnicas

VVI

l

cf Onodera

Velocidad de ondas P en Km / sg

0 1 2 3 4 5 6

Aire

Agua

Hielo

Suelo

Arenas

Arcillas

Esquistos

Areniscas

Calizas

Dolomías

Sal

Yeso

Anhidrita

Granito

Gneiss

Basalto

• Índices de fisuración• Índices de fisuración

SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALESSEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES

0 5 0 1 00

R Q D

0 .0

0 .5

1 .0

M M N EBM

E sism ico lb f / m x 1 02 6

E e

stát

ico

lbf

/ m x

10

26

Deere et al 1967

Coon 1968

SEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALESSEMINARIOS DE GEOTECNIA Y RIESGOS NATURALES

1 .0

0 .5

0 .00 .0 0 .5 1 .0

Ee

/ Ed

If = V c / V l

E e / E d = 1 .66 If - 0 .45

Filaho y Rodrigues

1986

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FASE DE PROYECTORelación con las Clasificaciones Geomecánicas

V p (la b o r .)

V p (ca m p o )

V s (ca m p o )

f en o n d a s S

E s ism ico E está tico

V p (cam p o)V p (la b ora t.) R Q D

M err it(1 9 7 2 )

S ja g ren e t . a l. (1 9 7 9 )

R M R

C oon1968

S ch n eider (1967 )

B ien iaw sk i (1978 )

O n ad era 19 63

D eere 1968

N ew (1984)

" pe tit s ism iqu e"

P arám etros s ísm icos

C lasificac ion es

122

V sE

12

2

2

2

V

V

V

V

s

p

s

p

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FASE DE EJECUCIÓNAdaptación de Caract. Geómecánicas

4.- TEXTURA Y ESTRUCTURA.

• Textura: Tamaño, forma y disposición de los minerales que constituyen las rocas.

• En el caso de las rocas magmáticas está relacionada con la profundidad y velocidad de cristalización.

• Por el tamaño:– Textura afanítica < 0.05 mm.– Textura de grano fino 0.05 a 1 mm.– Textura de grano medio 1 a 5 mm.– Textura de grano grueso 5 a 10 mm.– Textura pegmatítica > a 10 mmOtras Texturas:

T. tabular: todos los cristales son de igual tamañoT. porfídica: cristales grandes (fenocristales) englobados en matriz de cristales más pequeños.T. escoriácea o vesicular: típica de la escoria volcánica. Presencia de cavidades o vacuolas rellenas de gas. Piedra pómez.

4.- TEXTURA Y ESTRUCTURA.

• Estructura:

• Características macroscópicas de la roca: Consideramos forma de los estratos, su disposición espacial, grandes discontinuidades, etc.

Casos a), b) y c): el revestimiento se ve sometido a presiones más o

menos uniformes. En el a) se suelen formar techos planos que hacen que la sección real del túnel se aparte de la teórica.

Casos d), e) y f): se produce concentración de presiones en algún punto concreto del túnel. En d) en el hastial derecho. En e) en la bóveda. En el caso f) se producen en el hastial izquierdo.

En el caso e), además, si la potencia de las capas es reducida, centimétrica, pueden formarse en la bóveda “chimeneas” y tiene tendencia a formar hastiales planos.

Casos a) e)

Normalmente además de las juntas de estratificación suelen estar presentes familias de fracturas o diaclasas. La presencia de ambas acentúan los problemas que se presentan en los casos anteriores, debidas únicamente a la estratificación.