Definiciones Fundamentales en Geomecánica
En el campo de la geomecánica, es crucial comprender la terminología básica que describe los materiales y estructuras con los que se trabaja:
- Roca: Volumen formado por uno o más minerales que ocupa un espacio significativo en la corteza terrestre.
- Roca Intacta: Trozo de roca en el cual no se observan discontinuidades visibles.
- Estructura: Cualquier discontinuidad que afecte a la roca.
El Macizo Rocoso y sus Componentes
El Macizo Rocoso es un volumen de roca que se encuentra en un medio natural, compuesto por minerales y estructuras (como fallas, diques y juntas). Se caracteriza por ser DIANES, un acrónimo que describe sus propiedades: Discontinuo, Heterogéneo, Anisótropo, No Elástico y con Efecto de Escala.
Dentro del macizo rocoso, identificamos tres tipos de componentes principales:
- Roca Intacta (Bloque de Roca): Volumen de roca que se encuentra entre discontinuidades.
- Discontinuidades: Planos de debilidad preexistentes, como fallas, diaclasas o planos de fractura.
- Fractura: Discontinuidades generadas por un proceso de carga.
El Suelo: Un Material Clave
El Suelo es un material formado por partículas sólidas y poros rellenos de agua o aire, sin cementar o poco cementado. Se origina por la descomposición de las rocas y es el medio donde se desarrolla la mayor parte de la actividad biológica y humana.
Consideraciones Clave en el Comportamiento de las Rocas
Resistencia a la Tracción vs. Compresión
Importante: Las muestras de roca ensayadas a tracción suelen romperse a niveles tensionales del orden de diez veces menores que cuando se ensayan a compresión simple.
Influencia del Agua Subterránea
El Agua Subterránea influye en el comportamiento de las rocas de tres maneras distintas:
- Tensión Efectiva: En rocas porosas, la presión de poros reduce la tensión efectiva entre las partículas, afectando la resistencia.
- Reducción de Presión Efectiva: En rocas semi-porosas, el agua se infiltra entre las rocas, ejerciendo presión y reduciendo su resistencia al corte.
- Acción Degradante: En diversas zonas del macizo rocoso, el agua puede deteriorar la roca con el tiempo a través de procesos químicos y físicos.
El Impacto de la Meteorización
La importancia de la Meteorización radica en su efecto sobre las propiedades mecánicas de los materiales a los que afecta, modificando, por ejemplo, la fricción de la roca.
Factores que Influyen en el Comportamiento Geomecánico
Propiedades Mecánicas de la Roca Intacta
El comportamiento de la roca intacta se describe a través de su curva esfuerzo-deformación, cuyas componentes principales son:
- Límite de Proporcionalidad (Ley de Hooke): Punto hasta el cual la deformación es directamente proporcional al esfuerzo.
- Esfuerzo de Fluencia: Punto a partir del cual la deformación aumenta significativamente sin un incremento proporcional del esfuerzo.
- Resistencia Pico: Es el esfuerzo máximo que la roca puede soportar antes de la falla.
- Resistencia Residual: Es el esfuerzo que la roca puede soportar después de la falla, cuando la deformación continúa.
Otros Factores Geomecánicos Relevantes
- Discontinuidades: La presencia, orientación y características de las discontinuidades son determinantes en la estabilidad del macizo.
- Esfuerzos In Situ/Preexistentes: Las condiciones tensionales iniciales de la roca que influyen en su comportamiento y modo de falla.
- Agua: La presencia y circulación de agua en el macizo rocoso afecta significativamente sus propiedades mecánicas.
- Efecto de Escala: La resistencia y rigidez de un macizo rocoso disminuyen a medida que aumenta el volumen de roca considerado, debido a la presencia de discontinuidades.
Diseño y Estabilidad de Excavaciones Mineras
Objetivo del Diseño de una Mina
El objetivo principal del diseño de una mina es el control de los desplazamientos de la roca alrededor de la excavación minera, cuya estabilidad y diseño son tareas fundamentales de la mecánica de rocas.
Programa Iterativo de Diseño de Excavaciones Mineras
El proceso de diseño de una excavación minera es un ciclo iterativo que generalmente sigue los siguientes pasos:
- Caracterización del Sitio: Determinación de propiedades geomecánicas (resistencia, deformación), geométricas, ubicación, descripción, estimación de esfuerzos in situ y estudio hidrogeológico del cuerpo y entorno.
- Formulación del Modelo Geomecánico: Conceptualización y selección de datos relevantes, definición de rasgos geomecánicos, propiedades representativas de resistencia y deformación, geometría y propiedades de resistencia al corte promedio, y representación de los esfuerzos pre-excavación.
- Análisis del Diseño: Aplicación de métodos analíticos y numéricos, uso de software de modelado, y representación e interpretación de los resultados.
- Control del Comportamiento del Macizo Rocoso: Monitoreo de la respuesta del macizo, análisis de la relación carga-deformación, y obtención de datos mediante mediciones en puntos clave de la excavación.
- Análisis Retrospectivo: Evaluación de los resultados obtenidos para identificar desviaciones y mejorar futuros diseños.
Nota: Este programa es iterativo; los nuevos datos obtenidos en los pasos 4 y 5 pueden realimentar los pasos 1, 2 y 3 para refinar el diseño.
Herramientas y Características de las Discontinuidades
Strain Gauges
Los Strain Gauges son cintas extensométricas que miden deformaciones en base a la resistencia eléctrica, siendo una herramienta útil para el monitoreo del comportamiento de la roca.
Diaclasas y Familias de Juntas
Las Diaclasas o Familias de Juntas son la estructura más común y significativa desde el punto de vista geomecánico. Se caracterizan por no mostrar desplazamiento paralelo al plano de fractura.
Características Geomecánicas de las Juntas
Para una correcta caracterización geomecánica de las juntas, se consideran los siguientes aspectos:
- Orientación de las Juntas: La dirección y buzamiento de los planos de discontinuidad.
- Espaciado entre Familias: La distancia promedio entre juntas de una misma familia.
- Dimensiones/Persistencia: La extensión del área ocupada por las familias de juntas.
- Resistencia de Junta (JRC): El Coeficiente de Rugosidad de la Junta, un parámetro clave que influye en la resistencia al corte de la discontinuidad.
- Rugosidad: Característica de la superficie de la junta que afecta su resistencia al corte y permite diferenciar familias.
- Apertura: El espacio entre las superficies de la junta, que puede estar vacío o relleno.
- Relleno: Material presente entre las superficies de la junta, cuyo espesor y propiedades influyen en el comportamiento geomecánico.
- Circulación de Agua: La presencia y flujo de agua (permeabilidad primaria por poros; permeabilidad secundaria por discontinuidades) afecta las propiedades mecánicas de la junta.
- Número de Familias: La cantidad de conjuntos de juntas con orientaciones similares.
- Tamaño de los Bloques: El volumen de roca intacta delimitado por las discontinuidades.