UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO Facultad de ingeniería Geológica, Minas y Metalurgia Escuela Profesional de Ingeniería Geológica CURSO: Geomecánica de Rocas CÓDIGO DEL CURSO: GO612AGI DOCENTE: Ing. Víctor Vidal Garate Góngora ESTUDIANTE: Jean Alvaro Soncco Diaz CÓDIGO: 192987 SEMESTRE: 2022-I En el presente trabajo se describirá adecuadamente la respuesta de una muestra de roca para un rango completo de probables condiciones de esfuerzos que podrían ser encontrados en una excavación. El objetivo de este trabajo es predecir y mostrar la influencia de una o mas discontinuidades estructurales sobre el comportamiento de la muestra rocosa. Así como proveer alguna forma de proyección para el comportamiento del macizo rocoso a escala completa conteniendo varias familias de discontinuidades . En la mayoría de los casos de fallas en servicio de estructuras por fractura rápida, fueron iniciadas por tensiones nominales aplicadas inferiores a las de diseño. Esto contribuyó al carácter catastrófico de las fallas y llevó a que ellas fueran consideradas en general como fracturas frágiles, independientemente de la naturaleza de los micromecanismos de rotura asociados al vértice de las fisuras. En la práctica, todas las estructuras ingenieriles contienen fisuras, o defectos tipo fisuras a alguna escala, en la mayoría de los casos detectables por medio de ensayos no destructivos. Muchas veces, un END revela algún defecto; como en general la estructura o pieza se ha estado comportando satisfactoriamente, se produce la discusión si el defecto deberá ser reparado o no. La situación se complica cuando se sabe, o se sospecha, que el defecto puede crecer lentamente por fatiga o por acción del medio ambiente. Además, sabemos que cuando existen ciertas condiciones, se puede producir una fractura frágil inestable a niveles de tensión bien por debajo del límite de diseño elástico (por ejemplo: bajas temperaturas de servicio, defectos de soldadura, etc.) El conocimiento de la mecánica de fractura mejora las condiciones de diseño donde los efectos de los defectos y las condiciones de operación son explícitamente tomados en cuenta para reducir las consecuencias de una posible fractura. La mecánica de fractura considera el efecto de los defectos semejantes a fisuras (tanto en micro como en macro escala) sobre la integridad estructural. Se basa en la suposición de que fisuras o defectos semejantes a fisuras están inicialmente presentes, o podrían desarrollarse durante el servicio. En un criterio simple, la fractura está dada por la condición de que una fisura se propague. La mecánica de fractura busca cuantificar las combinaciones críticas de tensión y tamaño de fisura que produzcan la extensión de la misma. Los tres parámetros importantes que analiza la mecánica de fractura son: Los tres parámetros importantes que analiza la mecánica de fractura son: 1. La tensión global aplicada sobre el componente o estructura (σ) 2. Las propiedades de resistencia a la fractura, características del material 3. El tamaño de cualquier defecto presente semejante a una fisura (a) Griffith estudió el comportamiento de la fractura del vidrio de sílice, un material muy frágil. A temperatura ambiente, la curva tensión-deformación para este tipo de vidrio es lineal hasta la rotura. La resistencia teórica de este tipo de vidrio es aproximadamente “E/10”, pero en presencia de pequeñas fisuras la tensión de rotura es varios ordenes de magnitud inferior a la resistencia teórica del vidrio. El análisis de Griffith fue exitoso porque brindó las bases para el campo de la mecánica de fractura. El análisis de Griffith se basa en la primera ley de la termodinámica, que establece que en un sistema cerrado la energía se conserva. Mecánica de Fractura Elástica Lineal (LEFM, Linear-Elastic Fracture Mechanics) La LEFM se basa sobre el análisis de tensiones elásticas en materiales relativamente frágiles, conteniendo fisuras infinitamente agudas. La LEFM se aplica a situaciones de fractura frágil, donde la respuesta carga-deflexión de un cuerpo fisurado muestra esencialmente un comportamiento elástico-lineal hasta el punto donde ocurre una fractura inestable frágil. También aplicable para analizar y predecir todos los aspectos del comportamiento del crecimiento de fisura subcrítico (fatiga, fatiga asistida por el medio, corrosión bajo tensión, etc.). Las tensiones corresponden a las de fluencia o por encima de ella debido al endurecimiento por deformación localizado. Excepto en los casos en que la fractura ocurre a niveles de tensiones muy bajos, o en materiales muy frágiles, siempre hay una importante cantidad de deformación plástica en la punta de la fisura. Debido al importante tamaño de la estructura, la deformación plástica es pequeña en relación a las dimensiones características de la misma, siendo válido el análisis lineal elástico. El criterio KIC no puede ser usado en materiales con comportamiento marcadamente no lineal (tales como aceros dúctiles con gran deformación plática en la punta de la grieta, o fundiciones grises). Si bien es muy similar a la LEFM, la EPFM utiliza un parámetro diferente para caracterizar la intensidad de tensión-deformación en el extremo de la fisura. En este caso, el parámetro se denomina J. J es simplemente un parámetro que define la intensidad de la tensión y deformación plástica en la región que rodea el extremo de la fisura. J es una función de la tensión, deformación, tamaño de fisura, y geometría de la fisura y cuerpo. Es análogo a K utilizado en LEFM. La mayor diferencia es que J representa la intensidad del campo elasto-plástico que rodea al extremo de fisura, mientras que K es la intensidad del campo elástico circundante. Este método se usa cuando la cantidad de plasticidad (fluencia) en el extremo de la fisura que precede a la fractura, o se halla asociada al evento de fractura, es considerable. En otras palabras, no se pueden despreciar los efectos de la plasticidad. Fallas por corte Fallas por tracción Fallas por corte / tracción Fallas por liberación de esfuerzos Criterio empírico de falla de rocas Fallas por corte Criterio de falla de CoulombNavier. Criterio de falla de Mohr. Se consideran en: Fallas de corte bajo ángulo. Fracturas de corte en paredes. Fallas inducidas por gravedad Criterio de falla por máximo esfuerzo a la tracción Criterio de griffith de falla frágil por tracción. Dirigido a los siguientes fracturamientos: Deslajamiento de rocas. Falla de rocas frágiles por pandeo. Fallas por separación de rocas. Fallas en roca estratificada . El criterio de falla por corte / tracción La falla de estructuras rocosas por corte y tracción Las fallas por cargado (energía externa) Las fallas por descarga (energía interna) Criterio de Hoek & Brown. Criterio de Bieniawski. Criterio de Barton. Es una ilustración de un experimento de tensión detriaxial típico. Durante el experimento, confinando presión y temperatura se sostienen normalmente la constante mientras el ρ1 se aumenta progresivamente hasta que el fracaso ocurra o algún otro umbral experimental crítico se alcanza. Por máximo esfuerzo a la tracción Ocurre cuando σ3=-σt Se fractura paralelo ala dirección del σ1 y perpendicular a la dirección de la deformación detracción máxima. Aun los esfuerzos sean de comprensivos el estado de esfuerzos puede producir una deformación detracción Se basa en le calculo de las fuerzas inter atómicas . En 1921 Griffith postulo que en las rocas existen microfracturas elípticas de tracción que van desarrollando las grietas a medida que la carga externa de tracción aumenta hasta alcanzar una situación inestable que produce su colapso La tracción máxima se representa como sigue: Además se puede comentar que cuando una grieta se propaga parte de la energía potencial se utiliza para generar desplazamientos alrededor de la falla Se observa la propagación de fallas en un plano isotópico que contenía micro fisuras orientadas aleatoriamente y espaciados convenientes a fin que sus esfuerzos en cada uno de ellos sea independiente. Cuando este plano fue sometido a un campo de esfuerzos biaxial de compresión demostró que a pesar de ellos se producen esfuerzos de tracción en cada falla. Asumiendo que las fisuras se cierran de una manera elástica en un campo de esfuerzos compresivos . Mc.Clintock & walsh la modificaron asumiendo que en compresión las grietas de Griffith se cierran desarrollando fuerzas de fricción a travez de la superficie de la fisura . Se observo que cuando el nivel de esfuerzos alcanza el valor de σe las fisuras se cierran. Deslajamiento de rocas Establece que si la falla va a ocurrir el mecanismo de la falla se debe desarrollar cerca de la cara . La falla es perpendicular al esfuerzo de tracción efectivo . Esta se propaga formando la laja La roca empieza a desplazarse en forma de lajas largas y angostas en la cara libre en una pared o talud generalmente en roca estratificada. Fue investigado en paredes colgadas en un pique de mina. Ocurren en lugares donde la geología estructural delinea estructuras tipo columnares en las paredes de la excavación Las falla ocurren cuando los planos de esquistosidad están orientados en forma perpendicular a los esfuerzos tectónicos Es gobernada por la relación de Euler Producto del esfuerzo de tracción inducido por gravedad que que actúa a lo largo del eje longitudinal de bloques de viga de roca separados. Cuando los σt axial sobrepasa la resistencia de la viga de la roca la falla se dará hasta que ocurra la caída de roca. Esta relacionado estrechamente con el ancho de la excavación espesor del estrato y las propiedades geológicas. Ocurre como producto de las fuerzas de arranque que igualan a los esfuerzos inducidos por gravedad . La falla ocurre cuando la resistencia atracción de la roca es sobrepasada por el esfuerzo de tracción generado por la carga gravitacional Forma de la falla en zona estratificada La muestra rocosa bajo carga externa esta en estado de equilibrio antes que se desarrolle el esfuerzo interno lateral. Debido a la distribución de esfuerzos y formación de un estado de esfuerzos biaxial en el espécimen rocoso . El desplazamiento de corte libera un esfuerzo compresivo resultando en la formación de esfuerzo detracción y relevante falla detracción . Se genera cuando los esfuerzos internos de la masa rocosa se formaron en un evento geológico generando un probable fracturamiento violento y una gran liberación de energía Estallido de roca de una mina La fuente de energía que causó la falla por liberación de esfuerzos è influyo sobre el mecanismo de fracturamiento luego este difiere de la falla por cargado .El fracturamiento por descargado permite la expansión de la masa rocosa y sucede a partir del rebote mínimo para completar todo el proceso de expansión de la masa rocosa y la liberación de energía , la gravedad llega atener una gran influencia. Túnel que sufre una acumulación de esfuerzos Las fallas en estructuras rocosas por descargado del macizo rocoso son posteriores a los emplazamientos locales formados por una liberación de concentración de esfuerzos geológicos internos . Pilar después de su estallido por liberación de esfuerzos Las fracturas deliberación están relacionadas a micro y macro deformaciones de la masa rocosa y podrían suministrar dados para la evaluación de la liberación de energía potencial de un área particular de rocas Caverna que sufre una acumulación de esfuerzos La resistencia de tracción uniaxial se obtiene sustituyendo σ1=0 Se obtiene : Cuando se ensaya un espécimen anisotrópico, se asume que la relación entre σ y τ es definida por la envolvente de mohr que representa los esfuerzos principales de falla Encontró en 1974 las resistencias triaxiales máximas para un rango de tipos de rocas. están representados adecuadamente por las siguientes relaciones Bieniawski encontró que para un rango de tipos de rocas ensayadas K=0.75 &C=0.9 los correspondientes valores de A y B están dados en la tabla Barton toma en cuenta que la resistencia al corte es el factor fundamental a considerar en el estudio de las propiedades mecánicas de las discontinuidades que son tensiones normales, rugosidad, grado de alteración, espesor de relleno, el agua, velocidad de moví de corte, orientación del desplazamiento tangencial Los criterios de falla en roca es un factor importante para realizar diseños de excavaciones y estabilidad de taludes Es recomendable usar métodos que se ajusten mejor a los puntos que describen las curvas de los estudios de Morh. También describimos a Barton y Hoek & Brown y Bieniawski Es fundamental conocer los criterios de falla ya que estos nos proporcionaran datos muy importantes para la toma de la mejor decisión al momento de realizar algún proyecto en cuanto a mecánica de rocas. El entendimiento de criterios de falla es un poco complejo, se necesitan de muchos conocimientos previos en cuando a geomecánica de rocas. “The Practical Use of Fracture Mechanics” David Broek – Kluwer Academic Publishers – 1994 Apuntes del curso: “Análisis de Falla” CITEFA – 2003 El criterio de rotura de hoek-bronw-edición 2002 https://es.scribd.com/presentation/471332644/10-Criterios-de-falla https://www.youtube.com/watch?v=rfrlTCrWhbE
