Estudio de las Rocas en Ingeniería: Propiedades, Comportamiento y Aplicaciones

Mecánica de Rocas en Ingeniería

Introducción

La mecánica de rocas es una rama de la ingeniería que estudia el efecto de las fuerzas sobre las rocas. Este documento explora los conceptos fundamentales de la mecánica de rocas, incluyendo la definición de roca, suelo, discontinuidades y macizo rocoso. Además, se aborda la problemática de las cargas sobre el pilar, la resistencia del pilar, la metodología para el diseño y los desafíos relacionados con el diseño minero.

Definiciones Básicas

• Mecánica: Área de la física que estudia el efecto de las fuerzas sobre los cuerpos.
• Mecánica de Rocas: Rama de la ingeniería que estudia el efecto de las fuerzas sobre las rocas.
• Roca: Parte sólida de la corteza terrestre formada por bloques sólidos y duros de gran tamaño, encajados y ligados entre sí. Agregado de minerales.
• Suelo: Acumulación de partículas de pequeño tamaño (hasta 3 o 4") y sin una ligazón fuerte entre sí.
• Discontinuidades (Joints): Cualquier tipo de fractura en la roca. Son planos de fragilidad.
• Macizo Rocoso (Rock Mass): Gran masa de roca componente de la corteza terrestre. Está compuesto por:
  • Roca Intacta: El volumen de roca que se encuentra entre las discontinuidades. También se llama matriz rocosa o sustancia rocosa.
  • Discontinuidades: Fallas, diaclasas, planos de fractura, de clivaje, etc.

Cargas Sobre el Pilar

Campo de esfuerzos en el macizo rocoso:

1. Constitución del macizo rocoso, densidad.
2. La profundidad del pilar minero – La tectónica.

Esfuerzos inducidos producidos por las excavaciones mineras.

Resistencia del Pilar

Parámetros Mecánicos:

• Módulo de elasticidad de la roca.
• Módulo de Poisson.

Parámetros Constitutivos:

• Cohesión.
• Ángulo de fricción interna.

Condición estructural del macizo rocoso.

Problemática en la Mecánica de Rocas

La mecánica de rocas trata con un material previamente cargado. Al alterar la geometría del macizo rocoso (mediante una excavación en la roca), se redistribuyen los esfuerzos existentes. El macizo estaba en equilibrio y lo desestabilizamos. El principal problema de la mecánica de rocas es que se desconocen estas cargas. Es necesario, entonces, medir estos esfuerzos antes de iniciar la obra. Las propiedades mecánicas de las rocas son desconocidas. Hay que medirlas mediante ensayos de laboratorio o de terreno. Sin embargo, se requiere escalar sus resultados a macizo rocoso. Pero la roca no es homogénea, por lo que es difícil de modelar.

Metodología para el Diseño

1. Estimar el campo de esfuerzo y su distribución sobre el pilar a diseñar.
2. Determinar propiedades de resistencia y deformación del cuerpo mineralizado y de la roca huésped de manera reproducible y con cierto grado de exactitud.
3. Definir las características estructurales del macizo rocoso: localización, persistencia y propiedades mecánicas de discontinuidades, dentro de la zona de influencia de la actividad minera.
4. Establecer la distribución y magnitud de la presión de agua subterránea en el dominio.
5. Evaluar mediante técnicas analíticas los posibles modos de respuesta del macizo rocoso, para ciertas condiciones y geometría de las excavaciones mineras.

Desafíos Relacionados con el Diseño Minero

El esfuerzo sobre el pilar cambia de acuerdo a la secuencia de excavación. La resistencia del pilar cambia de acuerdo a la secuencia de excavación. El problema de diseño minero es dinámico, por lo tanto, se debe resolver de manera iterativa.

Clasificación Geológica de las Rocas

Desde el punto de vista genético: Ígneas, Sedimentarias y Metamórficas.

Desde el punto de vista del comportamiento: Textura cristalina, textura clástica, rocas de granos muy finos y rocas orgánicas.

Comportamiento: Elástico y frágil, plástico, viscoso, isótropo o anisótropo.

Descripción incluye: Textura, composición, tipo de cementación en las discontinuidades, diaclasamiento, contenido de humedad, poros, etc.

Propiedades de las Rocas

• Porosidad: Indica la proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida. Las porosidades normalmente fluctúan entre 0 y 40%.
• Densidad: Corresponde al peso por unidad de volumen. Puede relacionarse con la mineralogía y constitución de los granos que forman la roca.
• Gravedad Específica: Es la densidad del material de interés dividida por la densidad del agua -> medida adimensional. Densidad del agua es 1g/cm³, lo que hace que, cuando se mide en estas unidades (o equivalentemente en ton/m³), el valor de la densidad y gravedad específica sea el mismo.
• Densidad: Las gravedades específicas de minerales comunes fluctúan entre 2.0 (halita) y 7.0 (galena). Las rocas comunes tienen gravedades específicas entre 2.0 y 3.0 en la mayoría de los casos.
• Permeabilidad: Mide de cierta forma la conexión existente entre poros, de modo que un fluido pueda movilizarse a través de la roca. La permeabilidad k, se rige por la Ley de Darcy.
• Resistencia: La resistencia mide la competencia de la roca. Se puede medir mediante el ensayo de carga puntual. En laboratorio, se hacen ensayos de compresión uniaxial, triaxiales, de tracción indirecta (brasileño), etc.
• Ensayo de Compresión Simple: Ruptura de probeta puede producirse por la matriz o por algún plano pre-existente de debilidad.
• Durabilidad: Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse, al exponerse al aire, agua, tiempo, etc. Es un concepto más aplicable a mecánica de suelos que a mecánica de rocas. Se mide mediante un test.