Geologia Aplicada

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL

Curso: geología aplicada CAPITULO I

INTRODUCCIÓN A LA MECANICA DE ROCAS

Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes @unc.edu.pe

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• Capítulo I:

•   • 1.1 • • • • •

Introducción a la mecánica de Rocas

Introducción, conceptos generales. Interés estudio Introducción a la mecánica de Rocas Deformación de las Rocas. Cargas y esfuerzos que están sometidas las

de su 1.2 1.3 1.4 rocas. 1.5 Modulo de elasticidad. 1.6 Esfuerzo de trabajo de las rocas.

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• 1.1 INTRODUCCIÓN • Es el conjunto de conocimientos Geológicos relacionados con la ingeniería civil, es decir las implicaciones del terreno, su naturaleza, estado físico y tensional que tiene por las obras realizadas por el hombre y los fenómenos naturales que puedan afectarlas. • Fundamentos: – Mecánica de Suelos -Mecánica de Rocas – Hidrogeología -Investigaciones in situ – Geotecnia -Diseño de mapas Geotécnicos Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes @unc.edu.pe

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APLICACIONES

RIESGOS GEOLÓGICOS

- CIMENTACIONES

- DESLIZAMIENTOS

- TALUDES

- HUNDIMIENTOS

- TÚNELES

- FALLAS

- PRESAS

- TERREMOTOS

- BOTADEROS

- RIESGOS SÍSMICOS

- TALUDES

- SUBSIDENCIAS

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• CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA GEOLOGÍA • - Estudios de viabilidad de Proyectos • • • • • • • • • •

-

Estudios de terrenos con fines ingenieriles Estudios de cuencas fluviales Obras marítimas Corrección y mejoras de terrenos Cimentaciones Excavaciones subterráneas Canteras Estudios de impacto medioambiental Riesgos geológicos Prevención, explotación y conservación de Obras, etc.

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• Conceptos generales • La geología estudia la composición y constitución de la estructura terrestre, los fenómenos que ella acaecen y las leyes físicas y químicas que las rigen. • La geología investiga la historia y evolución de las actividades de la tierra desde los tiempos mas remotos hasta el momento actual, la composición distribución y origen de las rocas y minerales que forman la corteza terrestre y los diferentes procesos que han dado lugar a su presente estructura y morfología. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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• Dificultades para su estudio • Predecir lo que pueda ocurrir a ciertas profundidades de la tierra, es una variable que necesita de estudios geológicos y los principales son dos: • - Metodos Directos.- (sondeos) + precisión • - Metodos Indirectos.- estudia los fenómenos físicos apoyado por la geofísica. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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GEOLOGÍA Y SU DIVISIÓN EN OTRAS CIENCIAS

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•

La geología se compone de diferentes áreas:

•

Cristalografía: Se explica las propiedades diversas que presentan los cristales, cuyas formas geométricas. Se clasifica y describe los cristales, relaciona sus formas poliédricas con su estructura íntima y define las propiedades físicas y químicas.

•

Mineralogía: Estudio de los minerales: Estructuras internas de los minerales, composición química, clasificación. Es la descripción de las minerales.

•

Petrografía: Es el estudio de las rocas, se ocupa tanto de las rocas eruptivas y metamórficas, como de las rocas sedimentarias.

•

Geotectónica: Es el estudio de los volcanes, de los terremotos y de la tectónica terrestre.

•

Geología histórica: Es el estudio de las condiciones climatológicas, los fenómenos dinámicos y la fauna y flora Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes UNC-EAPIG particulares de la misma. wmorales @unc.edu.pe

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• Geofísica: Estudio de la física de la tierra: anomalías de gravedad, discontinuidades en la prolongación de ondas sísmicas- sismología, campo magnético de la tierra. • Geoquímica: Especialmente se estudia la distribución y la abundancia de los elementos en las distintas partes de la corteza terrestre y se trata de explicar la distribución de los elementos en las rocas por medio de procesos geológicos como por ejemplo la cristalización por diferenciación a partir de un magma, por procesos hidrotermales, que han influido la roca, por procesos metamórficos entre otros. • Geología estructural: Análisis e interpretación de las estructuras tectónicas en la corteza terrestre. Conocimiento de las fuerzas en la corteza que producen fracturamiento, plegamiento y montañas. (Fallas-Pliegues-Orogénesis). • Mecánica de suelos Estudio de las propiedades de los suelos para encontrar terreno apto para la construcción, para calcular y evitar riesgos geológicos como por ejemplo deslizamiento de escombres de faldas. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes • Hidrogeología: Investigaciones de la cantidad y UNC-EAPIG calidad del wmorales @unc.edu.pe

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• Estratigrafía:Estudio de las rocas estratificadas, por su naturaleza, su existencia, sus relaciones entre si y su clasificación. • Sedimentología: Estudio de los sedimentos (arena, arenisca, grava, conglomerado) y su formación. Análisis del ambiente de deposición como los propiedades físicas en el agua de un río (velocidad de la corriente y otros). • Geología Económica: Exploración de yacimientos metálicos o no-metálicos. Evaluación de la economía de un yacimiento o producto mineralico. • Exploración/Prospección: Búsqueda de yacimientos geológicos con valor económico. Por medio de la geofísica, geoquímica, mapeo, fotos aéreas y imágenes satelitales. • Geología Ambiental: Búsqueda de sectores contaminados, formas y procesos de contaminación. Docente: Especialmente Ing. Wilver Morales de agua, Céspedes agua subterránea y suelos. UNC-EAPIG Investigación de lawmorales [email protected] de agua y suelo.

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• Principios básicos de la geología • - Uniformismo.-las leyes físicas son inmutables y universales • - Actualismo.- las mismas causas producen los mismos efectos, las leyes no varían con el tiempo, salvo su intensidad y periodicidad. • - Ciclo Geológico.-la tierra esta en constante evolución debido a: • - fenómenos geodinámicas internos.- Diastrofismo ( deformación de la corteza) terremotos, orogenias, calor interno. • - Fenómenos geodinámicas externos.- Erosión, transporte, sedimentación, son negativos porque arrasan montañas. • - Suceso Geológico.-Cualquier variación de la tierra constituye un suceso geológico. Se produce un fenómeno geológico en un tiempo y espacio con un ambiente determinado y con un consumo de energía. • - Tiempo Geológico.- Indica el tiempo de evolución de la tierra. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Eras Geológicas de la Tierra

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• Estructura interna de las tierra

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ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA

Conocer el interior de la Tierra, su estructura y su composición, no es una tarea fácil.

Los métodos DIRECTOS (sondeos, perforaciones, …) sólo permiten conocer una mínima parte de nuestro planeta: Unos 15 Km de los 6371 Km que hay hasta el centro de la Tierra. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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¿Cómo se ha podido conocer el interior de nuestro planeta? Los métodos que mejores resultados han dado son los indirectos, y entre ellos destaca el método sísmico.

Velocidad (m/s)

El método sísmico se basa en los cambios en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas.

sismograma Profundidad (Km)

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Las ondas varían su velocidad al atravesar medios de distinta composición química o cuando tienen un estado de agregación diferente: sólido, fluido, líquido. Es como si corriéramos por diversos medios…

La representación gráfica de la velocidad de propagación es lo que llamamos sismograma.

Velocidad (m/s)

Si lo hacemos por ARENA llevaremos una velocidad distinta a la que tendríamos si lo hiciéramos por una ACERA o por AGUA…

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Velocidad (m/s)

… Y si observáramos la siguiente gráfica??

Profundidad (Km)

Si la velocidad con la que se propagan no cambiara  el medio que atraviesan las ondas es homogéneo = No hay capas diferentes. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Los terremotos emiten Ondas sísmicas (vibraciones) que se transmiten por todo el interior de la Tierra. Pueden ser:

   Al cambiar el medio por el que se propagan, las ondas sísmicas cambian su trayectoria y su velocidad  nos indican, por tanto, zonas de distintos materiales.    A los cambios de velocidad se les denomina discontinuidades.

Velocidad (m/s)

- Ondas P: se transmiten por sólidos y líquidos - Ondas S: sólo se transmiten por sólidos - Ondas L: se transmiten por la superficie terrestre (causan los daños en la superficie terrestre. No nos informan del interior)

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Profundidad (Km) UNC-EAPIG

superior

inferior

manto

Wiechert-Lehmann

externo

núcleo

6000

ondas S

corteza

ondas P

5000

2

4000

4

3000

6

1000

8

Canal de baja velocidad

12 Mohorovicic 10

Gütemberg

2000

(Km/s) 14

Repetti

V

Conrad

¿Cómo es el sismograma de la Tierra?

interno

Km

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El interior de la Tierra tiene varias capas concéntricas. Su estructura puede estudiarse según dos puntos de vista distintos:  ESTRUCTURA GEOQUÍMICA Se distinguen 3 capas: CORTEZA, MANTO, NÚCLEO  ESTRUCTURA DINÁMICA Se distinguen 4 capas: LITOSFERA, ASTENOSFERA, MESOSFERA y ENDOSFERA En de

esta estructura se basa la Teoría de la Tectónica placas

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ESTRUCTURADE DELA LATIERRA TIERRA ESTRUCTURA

CORTEZA CONTINENTAL

LITOSFER A

Disc. Conrad

MESO SFERA

Disc. Repetti

ESTRUCTURA DINÁMICA

MANTO INFERIOR

ENDO SFERA

Disc. Gütemberg NÚCLEO EXTERNO Disc. Lehman-Wiechert

NÚCLEO INTERNO

ESTRUCTURA GEOQUÍMICA

CORTEZA OCEÁNICA Disc. Mohorovicic Canal de baja velocidad MANTO SUPERIOR

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MODELO GEOQUÍMICO

Corteza: Capa sólida. Su espesor varía: Bajo el océano: 6 - 12 km Bajo los continentes: 25 - 70 km Es la menos densa (con silicatos de Al). Manto: - Capa sólida aunque con cierta plasticidad. Gran espesor. - Más densa que la corteza (con silicatos de Mg y Fe) -Su límite se sitúa a 2900 km (Discontinuidad de Gütemberg). Núcleo: Muy denso. Con silicatos de Fe y Ni. Tiene un espesor de unos 3400 km. Con:  Núcleo Externo: muy denso y en estado líquido (las "ondas S" desaparecen a partir de él).  Núcleo Interno: la capa más densa de la Tierra. Suponemos que sólida y de carácter metálico. Forma la parte central del planeta. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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MODELO DINÁMICO

Litosfera: Capa rígida que engloba CORTEZA + parte del MANTO SUPERIOR La litosfera está FRAGMENTADA en las PLACAS LITOSFÉRICAS Su espesor es de unos 100 km Astenosfera: - Capa plástica (parte de las rocas están fundidas). - Coincide con el canal de baja velocidad - Se ha descubierto que no es realmente una capa, sino que es discontinua Mesosfera: Hasta el límite con el núcleo externo. Endosfera: Comprende el NÚCLEO Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Teoría de la deriva continenta l

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Teoría de la deriva continenta l

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http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/4a_ESO/02_ placas/diapositivas/74_Diapositiva.gif Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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INTRODUCCIÓN

• ¿Alguna vez te has preguntado cuál es la teoría de la tectónica de placas? • ¿O qué pruebas la apoyan? • ¿Y cuáles son sus consecuencias? • A continuación, resolveremos esas dudas que han surgido y otras mas que nos hacemos a diario.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL La convección del calor. Introduce en un recipiente con agua unas virutas de un material que se hunda en el agua pero que no sea muy pesado. Enciende el hornillo eléctrico y espera un poco a ver lo qué sucede.

¿Puedes explicar este fenómeno?

¿Qué demuestra esta experiencia?

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TEORÍA Y PRUEBAS DE LA TECTÓNICA DE PLACAS. • La Teoría de la Tectónica de Placas, también llamada de las Placas Litosféricas o Tectónicas y actualmente conocida como Tectónica Global, surge a finales de la década de los 60 (T. Wilson), como consecuencia de una serie de datos geofísicos y de teorías anteriores iniciadas en 1912 con la Deriva Continental (A. Wegener) y culminadas a principios de los 60 con la Expansión de los Fondos Oceánicos (H.H.Hess).

• Esta teoría establece que la llamada astenosfera se comporta como una especie de cinta transportadora, sobre la cual se desplazan las placas de la litosfera. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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La coincidencia en la formulación de esta teoría se materializó tras una serie de mediciones geofísicas concluyentes, llevadas a cabo mediante propagación de ondas sísmicas. Se observó que en una capa situada entre los 70 y 300 km. de profundidad, las rocas reducían su rigidez debido a que se encontraban bajo temperaturas próximas a las de fusión. La corteza terrestre (continental y oceánica) y una parte del manto superior constituyen una unidad rígida pero frágil que, al descansar sobre material plástico sometido a las denominadas corrientes de convección, se fragmenta en las llamadas placas litosféricas.  Estas corrientes son las responsables del movimiento de las citadas placas. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Extension y bordes de las placas

• Frecuencia sísmica y de volcanismo

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Distribución de las principales cadenas montañosas (orógenos) en la tierra

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Zonas volcanicas y sismicas mas importantes en el planeta (en rojo).

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA Si unimos con una línea las zonas símicas y volcánicas mas activas CIVIL obtendremos los limites (bordes) de las diferentes placas

Los limites de las placas y el relieve

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Las placas se desplazan lentamente (2 a 12 cm/año). Los movimientos de las placas pueden ser laterales (sin separación ni choque), de separación (constructivos) y de choque (destructivos),

Los bordes constructivos se llaman así porque surge nueva litosfera oceánica Los bordes destructivos son bordes en los que se destruye la litosfera al subducir en la astenosfera. En las fallas transformantes no hay ni formación ni destrucción de la litosfera. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Movimiento de las placas tectonicas

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL Los bordes entre placas litosféricas pueden ser: Constructivos  cuando la materia fundida asciende desde la astenosfera para enfriarse posteriormente y formar la litosfera oceánica. Destructivos  cuando las placas colisionan y una se introduce por debajo de la otra, sumergiéndose hasta el manto y fundiéndose en él. Pasivos  cuando las placas se deslizan una con respecto a la otra sin chocar entre sí ni separarse.

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Encuentros entre placas • Divergentes • Convergentes • Transformantes

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Placas Tectonicas Divergentes Se separan

• • Se produce magma por derretimiento parcial del manto • Produce flujos de lava y diques basalticos • En fisuras de dorsales oceanicas • Puede ocurrir en continentes (Africa)

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formacion riff

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL Borde constructivo en la Dorsal del Atlántico Formación placa

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Placas Tectonicas Convergentes

• Tres tipos posibles: – – –

Entre Entre Entre

dos placas oceanicas dos placas continentales una placa oceanica y una continental

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Convergencia: Dos placas oceanicas Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL

• Crea arcos de islas • Ejemplos – Japon – Antillas Menores

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•

Convergencia: Dos Cortezas Continentales Colisión produce – – – – –

cadenas de montañas Deformacion Metamorfismo Ofiolitos Himalayas

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Animación

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Convergencia: Placa Continental + Placa oceanica

• Cadenas de volcanes andesiticos • Andes

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Placas Tectonicas Transformantes

• Movimiento paralelo en diferentes direcciones • Acomodan el aumento en diametro de la Tierra que ocurre desde los polos al Ecuador • Falla de San Andreas-California

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Medidas de velocidad de movimiento de placas • Se mide de varias formas • Depende de tipos de movimiento – Relativo – Absoluto

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Velocidad Relativa de Placas Tectonicas

• Como se mueve una placa con respecto a su placa vecina • Se mide por: – Satelites – Otros métodos

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Velocidad Absoluta de Placas Tectonicas

• Movimiento de cada placa individualmente • Se necesita algo que no se mueva • Usan: – Hot Spots

• Explican origen de islas Hawaii

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• Interés por su estudio • El medio geológico esta en continua evolución y los procesos afectan tanto a los materiales rocosos y a los suelos como al medio natural en su conjunto. El entrópico, representado, representado por las ciudades, las infraestructuras, obras publicas, etc., irrumpe con frecuencia en regiones geológicamente inestables modificando incluso desencadenando, los procesos geológicos. La búsqueda de soluciones armónicas entre el medio geológico y el entrópico precisa de la consideración previa de ciertos factores diferenciadores entre ambos. Entre ellos destacan: • • •

- La escala geológica y la ingenieril - El tiempo geológico y el entrópico - El lenguaje geológico y el ingenieril Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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• Introducción a la mecánica de rocas. • ¿ MACIZOS ROCOSOS? • Matriz Rocosa: Material rocoso exento de discontinuidades o los bloques de “roca intacta” que quedan entre ellas. • Discontinuidades: Es cualquier plano de origen mecanico o sedimentário que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en un macizo rocoso. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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MATRIZ ROCOSA

DISCONTINUIDADES

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La Mecánica de Rocas se encarga del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

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La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.

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Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se agrupan en: 1) Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, galerías, taludes, etc.). 2) Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.). 3) Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (escolleras, pedraplenes, rellenos, etc.). Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL

El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería. La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.

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FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1. La Litología y propiedades de la matriz rocosa. 2. La estructura geológica y las discontinuidades. 3. El estado de esfuerzos a que está sometido el material. 4. El grado de alteración o meteorización. 5. Las condiciones Docente: Ing. Wilver MoralesHidrogeológicas. Céspedes UNC-EAPIG wmorales @unc.edu.pe

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METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS 1. PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO a) Formación de hielo b) Insolación c) Formación de sales d) Hidratación e) Capilaridad Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS 2. PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN QUÍMICO a) Disolución b) Hidratación c) Hidrólisis d) Oxidación y Reducción Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA GEOLÓGICA

EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

El agua como material geológico coexistente con las rocas influye en su comportamiento mecánico y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas

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Los efectos más importantes son:

1) Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados. 2) Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas. 3) Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia. 4) Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua. 5) Produce meteorización química y física en la matriz rocosa y en los macizos rocosos 6) Es un agente erosivo 7) Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambio en la composición del agua Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y permitir que las piezas de rocas se muevan.

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En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento de la roca será muy rápido. La presencia de agua en las fallas geológicas y zonas de corte, influye significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavación.

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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS Los macizos rocosos se clasifican basados en factores que determinen su comportamiento mecánico.

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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS 1)

Propiedades de la matriz rocosa.

2)

Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen: - El grado de fracturación (índice RQD) - El tamaño y la forma del macizo. - Sus propiedades hidrogeológicas.

3)

Grado de Meteorización o Alteración.

4)

Estado de Tensiones In Situ

5)

Presencia de agua Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS Dependiendo de sus características y condiciones, la masa rocosa puede variar de una mina a otra, como también de área en área dentro de una misma mina. Con el paso del tiempo crecen las labores mineras y el minado se realiza a mayores profundidades, desarrollándose así diferentes problemas de inestabilidad en la roca.

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Conocer la roca permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

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MATRIZ ROCOSA Es el material rocoso exento de discontinuidades, o bloques de roca intacta que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su microestructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso específico, resistencia y deformabilidad.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA GEOLÓGICA

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso. Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos. Prácticamente pueden considerarse que presentan una resistencia a la tracción nula.

MACIZO ROCOSO

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DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIÓN DESDE LA ROCA INTACTA HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL DISCONTINUIDADES

Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del macizo rocoso.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL DISCONTINUIDADES

Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso. Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del material de relleno. Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

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ANISOTROPIA La presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familia de diaclasas, tectónicas) implica diferentes propiedades y comportamiento mecánico en función de la dirección considerada. También la orientación de los esfuerzos que se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una anisotropía asociada al estado tensional.

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MACIZO ROCOSO

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DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA Los principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son:

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PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.

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FALLAS Son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL ZONAS DE CORTE

Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

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DIACLASAS También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa

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PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

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CONTACTOS LITOLÓGICOS

Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

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VENILLAS

Son rellenos de las fracturas con otros materiales

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PLIEGUES Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados

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DIQUES Son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales o subverticales.

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PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

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ORIENTACIÓN Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades.

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ORIENTACIÓN Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades.

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ORIENTACIÓN

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ESPACIADO Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

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ESPACIADO

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PERSISTENCIA Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.

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PERSISTENCIA

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RUGOSIDAD Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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RUGOSIDAD

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APERTURA Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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APERTURA

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RELLENO Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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RELLENO

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PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

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REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada.  Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará condiciones favorables cuando sea excavada. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA  Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada.  Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de clasificación geomecánica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y otros.

Por su simplicidad y utilidad, están los criterios RMR (Valoración de la Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de Resistencia Geológica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecánicos efectuados en las paredes de las labores mineras o en Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI 1. La resistencia compresiva (Rc) De la roca intacta, que puede ser determinada con golpes de picota o con otros procedimientos como los ensayos de laboratorio.

2. El RQD (Rock Quality Designation) Puede ser determinado utilizando los testigos de las perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la longitud total del taladro. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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TESTIGOS DE PERFORACIÓN DIAMANTINA

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EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI 3.El espaciamiento de las discontinuidades. 4.La condición de las discontinuidades, referidas en este caso a la persistencia, apertura, rugosidad, relleno y meteorización. 5.La presencia de agua. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA

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PROPIEDADES FISICAS Controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa, y son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

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PROPIEDADES FÍSICAS ÍNDICES 1.Composición Mineralógica 2.Fábrica, textura 3.Porosidad 4.Peso Específico 5.Contenido de humedad 6.Permeabilidad 7.Durabilidad (Alterabilidad) Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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PROPIEDADES MECANICAS 1. Resistencia a la Compresión Simple 2. Resistencia a la tracción 3. Velocidad de propagación de las ondas elásticas 4. Resistencia 5. Deformabilidad Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influyen además las Características Geológicas:

1) Litológicas 2) Estratigrafía 3) Estructura Geológica 4) Discontinuidades tectónicas o Diagénicas 5) Estados de esfuerzos In Situ Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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ORIENTACIÓN DE LAS EXCAVACIONES Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de caída de rocas. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45 °.

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Escuela académico profesional: INGENIERÍA CIVIL Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación, las mismas que presentan inestabilidad.

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En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos. Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

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Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza paralela a una falla

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Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la excavación, las mismas que presentan buena estabilidad.

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El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la excavación

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En lo posible, la excavación debe atravesar la cuña

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Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las condiciones de estabilidad de las excavaciones.

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En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.

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Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.

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(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy desfavorables. A) Tramo de galería de condiciones favorables; B) Tramo de condiciones desfavorables.

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Calcular el RQD y la LRT