Mecánica de Rocas: Conceptos, Propiedades y Aplicaciones en Ingeniería
Elemento de la mecánica de rocas
La mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada que trata del comportamiento mecánico de las rocas. Es la ciencia que estudia el comportamiento mecánico de las masas rocosas que se encuentran bajo la acción de fuerzas producidas por fenómenos naturales o impuestas por el hombre. Su búsqueda es cualitativa y cuantitativa de los fenómenos naturales y su relación con el comportamiento de los materiales.
Examen de la mecánica de rocas
Incluye la deformabilidad de los macizos rocosos, la relación esfuerzo-deformación y 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 estáticos y dinámicos debidos al flujo de agua.
Principales aplicaciones de la mecánica de rocas
Explotación de canteras y excavaciones
- Excavaciones a cielo abierto.
- Explotación de bancos de roca cuyo producto se utiliza en: escolleras, material de mejoramiento, pedraplenes, agregado para hormigón, corte en vías y extracciones de materiales varios.
Obras subterráneas
Excavaciones subterráneas, explotaciones de minerales, túneles para vías y conducción de aguas, casas de máquinas hidroeléctricas, almacenamiento de gas y desperdicios atómicos, y para alojar tuberías de presión.
Obras civiles
Cimentación de presas, torres de toma de agua y de transmisión, edificios, estructuras urbanas, reactores, radares y puentes.
Otras aplicaciones
Fracturamiento hidráulico para explotación de petróleo, activación de pozos geotérmicos y tratamiento de masas rocosas mediante inyecciones.
Propiedades índice de las rocas
- Porosidad
- Contenido de agua
- Peso volumétrico
- Alteración
- Alterabilidad
- Sensitividad
- Mineralogía
- Densidad
Peso de agua en las rocas
Es la relación entre el peso de agua contenida en la roca y el peso de su fase sólida, expresada en %. Está muy ligado a la porosidad de la muestra y a la profundidad de la que proviene. A mayor contenido de agua, menor resistencia (ej. roca de esmeraldas).
Peso volumétrico
Es la relación entre el peso de la muestra y el volumen de la muestra. El peso y el volumen se realizan pesándola en el aire y luego pesándola sumergida en mercurio.
Alteración
Las rocas, al estar expuestas al medio natural, sufren modificaciones en su estructura y composición mineralógica. Cuando una roca se altera, su porosidad se incrementa y, por lo tanto, se produce mayor absorción de agua.
Alterabilidad de las rocas
Es la capacidad de una roca para alterarse en el futuro. Factores condicionantes: composición mineralógica, fisuras de la roca, agentes agresivos y tratamiento mecánico al que se somete.
Sensitividad
Es estable al analizar la variación de su permeabilidad al cerrarse o abrirse sus fisuras bajo el efecto de la modificación del estado de esfuerzos aplicado. Para medir dicha variación de permeabilidad se realiza la prueba cilíndrica de roca con la perforación central, la cual se somete a dos tipos de flujos: convergente y divergente.
Propiedades mecánicas de las rocas
Las propiedades mecánicas de las rocas son de tipo cuantitativo, permiten predecir el comportamiento mecánico de los macizos rocosos y son directamente aplicables dentro del diseño ingenieril. Las propiedades mecánicas más importantes son: deformación, resistencia y permeabilidad.
Deformación
Cuando se somete una muestra de roca a una carga, esta tiende a cambiar de forma, de volumen o ambas cosas durante el período de aplicación del esfuerzo. Estas y la deformación son inseparables, por lo que se acostumbra estudiar la deformación mediante gráficas conocidas como esfuerzo-deformación.
Resistencia
Tiene tres esfuerzos como variables:
- De compresión, que tiende a disminuir el volumen del material.
- De tensión, que tiende a crear fracturas en el material.
- Cortante, que tiende a desplazar una parte de la roca con respecto a las otras.
De acuerdo con esto, la roca puede presentar resistencia a la compresión, resistencia cortante o resistencia a la tensión.