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permitirá evaluar su comportamiento mecánico y enfocar los problemas
presentados por las obras de edificación y de ingeniería. La
relación entre ambos parámetros describirá el comportamiento de
los diferentes tipos de rocas, lo cual junto con sus propiedades físicoquímicas
y las condiciones a las que están sometidas en la naturaleza,
definirá el comportamiento del macizo rocoso.
Las clasificaciones de los macizos rocosos se basan en uno o varios
de los factores que determinarán su comportamiento mecánico:
• Propiedades de la matriz rocosa
• Frecuencia y tipo de discontinuidades
• Grado de meteorización
• Estado de tensiones “in situ”
• Presencia de agua
2. pruebas De laboratorio en la matriZ rocosa: comportamiento
mecÁnico De las rocas Durante la prueba
De compresión uniaXial
Para predecir la respuesta de los macizos rocosos frente a una determinada
actuación que conlleve un cambio en las condiciones iniciales,
es necesario estudiar sus propiedades y su comportamiento
mediante las técnicas apropiadas: reconocimientos, pruebas “in
situ” y de laboratorio.
Las pruebas “in situ” permiten evaluar las características de los macizos
rocosos en su estado y condiciones naturales, a escalas representativas
de su totalidad.
En cambio, las pruebas de laboratorio permiten obtener información
sobre las propiedades físico-químicas y mecánicas de la matriz rocosa,
las cuales definirán su comportamiento mecánico:
• Naturaleza
• Resistencia a la rotura (compresión, tracción, flexión, corte)
• Deformación
• Influencia de la presencia de agua
Además, se puede extrapolar el comportamiento matriz rocosa-discontinuidad,
mediante pruebas de corte en roca entre dos fragmentos
separados por una discontinuidad.
A menudo, una de las pruebas que más información proporciona y
que mayor importancia tiene es la de la resistencia a la compresión
uniaxial. Esta prueba nos indica el máximo esfuerzo que soporta una
roca sometida únicamente a compresión vertical, sin confinamiento.
(σ 1 ≠0; σ 2 =σ 3 = 0). Se determina sobre una probeta, generalmente
cilíndrica, a la que se aplica con la ayuda de una prensa una carga
incremental a una velocidad aproximada de 0,75 MPa/s. Se expresa
de la siguiente forma siendo
σp =
σ resistencia a la compresión uniaxial
p
p carga de rotura
a área de la sección transversal del testigo de roca
Este parámetro proporciona información esencial sobre las propiedades
mecánicas de las rocas y permite una primera clasificación de
los diferentes tipos de roca en función de su valor de resistencia a la
compresión. La tabla 1 (ver tabla 1, pág. 26 –Valores de resistencia
a la compresión uniaxial de la matriz rocosa sana–) nos enseña las
categorías típicas de resistencia a la compresión uniaxial para los
diferentes tipos de roca sana.
Si vamos más allá del valor de resistencia a la compresión y medimos
la deformación que experimenta una roca durante el proceso de
compresión uniaxial, se obtienen las proporciones de tensión-deformación
(σ – ε) que permitirán definir el comportamiento de la roca:
• Antes de la rotura
• En el momento de la rotura
• Después de la rotura
Debido al carácter anisótropo de la inmensa mayoría de las rocas,
P (Mpa)
A
TrADuCCIó AL CASTELLà
los gráficos resultantes de los estudios tensión-deformación, presentan
tendencias no lineales entre las fuerzas aplicadas y las deformaciones
producidas, obteniéndose diferentes modelos de curvas σ–ε
para los diferentes tipos de rocas (ver figura 1, pág. 27–Diferentes
comportamientos tensión-deformación en rocas. σ p resistencia de
pico σ r resistencia residual–).
La curva que representa el gráfico tensión-deformación durante la
rotura de una roca puede dividirse en diferentes tramos, de forma
que el comportamiento mecánico durante la prueba de compresión
uniaxial será la combinación de los posibles comportamientos ideales
elástico-plástico-frágil, tal y como se refleja en la Figura 2 (ver
figura 2, pág. 26 –Comportamientos mecánicos durante la compresión
de una roca–).
oa: cierre de fisuras originales
ab: comportamiento elástico (si retiramos la fuerza aplicada, se recuperan
las deformaciones)
b: Límite de elasticidad (σ y ). Resistencia a partir de la cual comienza
la deformación dúctil o plástica. A partir de este punto la roca aún
puede mantener deformaciones importantes antes de alcanzar su
límite de resistencia. Una vez superado este punto, aunque se retiren
completamente las fuerzas aplicadas, la roca no se recupera
del todo.
bc: comportamiento plástico o dúctil. Se inicia la fisuración de la
roca.
c: comportamiento frágil. Se alcanza la resistencia de pico (σ p ).
En rocas frágiles, los valores σ y y σ p están muy próximos o coinciden,
lo que no ocurre en las rocas con un comportamiento más plástico.
La diferencia entre ambos valores es sumamente importante, dado
que nos indica la capacidad que tiene la roca para seguir soportando
cargas una vez superado su límite elástico, sin que llegue a romperse.
Por otra parte, podemos calcular también las deformaciones
irrecuperables que sufre una roca por esfuerzos inferiores a su resistencia
de pico.
3. Determinación Del móDulo De Young o De elastici-
DaD (e) Y Del coeficiente De poisson (n)
La deformabilidad es la característica que tiene cualquier material de
alterar su forma como respuesta a las fuerzas que actúan sobre él.
Si suponemos que todas las rocas, en mayor o menor medida, se
comportan de forma elástica al inicio de una prueba de compresión
(tal y como hemos visto en la FIG. 2), podemos afirmar que la deformabilidad
de las rocas se expresará por sus constantes elásticas:
e: módulo de elasticidad o de Young E = σ/ε ax
n: coeficiente de poisson n = ε t /ε ax
El módulo de Young, E, define la relación lineal elástica entre el esfuerzo
aplicado y la deformación producida en la dirección de aplicación
del esfuerzo (deformación axial ε ax ).
El coeficiente de Poisson, n, define la relación entre la deformación
transversal (ε t ) y la axial (ε ax ).
La Figura 3 (ver figura 3, pág. 28 –Relaciones geométricas y cálculos
para obtener las constantes elásticas de una roca a partir de una
prueba a compresión uniaxial–) muestra las relaciones geométricas
de los parámetros descritos.
Por lo tanto, si durante una prueba de compresión registramos, además
de los valores de la resistencia, las deformaciones longitudinales
(axiales) y transversales que experimenta un testigo de roca,
podremos elaborar los cálculos pertinentes para aportar los valores
correspondientes a las constantes elásticas de la matriz rocosa bajo
prueba, E y n.
Se pueden realizar las medidas mediante:
a) comparadores de deformación
b) bandas extensométricas