Particularidades de la Mecánica de Rocas: Naturaleza, Fractura y Efectos de Escala

Particularidades inherentes a la mecánica de rocas

2.4.1. Materiales de origen natural

En mecánica de rocas, los materiales utilizados no pueden ser elegidos, sino que deben ser ensayados, analizados y empleados de la mejor manera posible para los fines deseados. Debido a su origen natural, estos materiales no son necesariamente homogéneos ni constantes en sus propiedades y comportamientos. Los macizos rocosos son"DIANE" (discontinuos, anisotrópicos, no lineales y elásticos) y no"CHILE" (continuos, homogéneos, isotrópicos, lineales y elásticos). Por ello, una parte importante de los estudios de mecánica de rocas es la adecuada caracterización de la estructura de los macizos rocosos, ya que esta determina en gran medida su comportamiento.

La mecánica de rocas se relaciona con la geología estructural, que estudia el comportamiento de las rocas de la corteza terrestre sometidas a esfuerzos y las deformaciones resultantes. Para los estudios de mecánica de rocas, es esencial comprender la estructura de los macizos rocosos, lo que requiere conocimientos básicos de geología estructural para realizar un análisis estructural (presencia de fallas, pliegues, etc.) de los mismos.

2.4.2. Fractura de rocas

La rotura de materiales comunes en ingeniería, como el acero y el hormigón, se produce bajo tensión. Sin embargo, los campos tensionales que actúan en la mecánica de rocas suelen estar en el dominio de la compresión, por lo que las teorías desarrolladas para los materiales anteriores no son directamente aplicables a los macizos rocosos. Una complicación en el caso de rocas sometidas a compresión es la fricción movilizada entre las superficies de las microfracturas, donde se inicia la fracturación. Esto hace que la resistencia de la roca dependa en gran medida de la tensión de confinamiento, lo que plantea dudas sobre la relevancia de conceptos como el principio de normalidad, el flujo asociado y la teoría de la plasticidad al analizar las propiedades de resistencia a la rotura y deformación post-rotura de las rocas.

2.4.3. Efectos de escala

La respuesta de un macizo rocoso a las cargas aplicadas muestra un pronunciado efecto de escala en función del volumen sobre el que actúan las cargas. Este efecto se debe en parte a la naturaleza discontinua del macizo rocoso. La presencia de discontinuidades estructurales influye en las propiedades de resistencia y deformación del macizo, tanto por las propiedades de la roca sana como por las de las discontinuidades, que varían según el tamaño del macizo rocoso afectado por la obra.

2.4.4. Resistencia a tracción

Las rocas se diferencian de otros materiales por su baja resistencia a la tracción. Las muestras de roca ensayadas a tracción suelen romperse a niveles tensionales diez veces menores que cuando se ensayan a compresión simple. Además, la presencia de discontinuidades en los macizos rocosos hace que, en la mayoría de los casos, no exista prácticamente resistencia a la tracción. Por lo tanto, los macizos rocosos no son capaces, en general, de generar y resistir tracción.

Esto implica que, en el diseño de excavaciones, cuando se identifica mediante análisis una zona del macizo sometida a tracción, esta zona se distenderá y las tensiones se redistribuirán en su entorno. Esta distensión puede provocar la inestabilidad puntual de la roca, que se producirá como una separación progresiva de unidades de roca del macizo.

2.4.5. Efecto de las aguas subterráneas

El agua subterránea influye en el comportamiento de las rocas de dos maneras distintas. La primera, que se da en rocas porosas (areniscas), es la gobernada por el principio de Terzaghi o de la tensión efectiva. La segunda, que se da en macizos rocosos formados por materiales poco porosos (la mayoría de las rocas), se manifiesta en que el agua sometida a presión en las juntas que separan bloques de roca reduce la presión efectiva entre ambos labios de la junta, disminuyendo así la resistencia potencial al corte que origina la fricción.

Un último efecto más sutil de las aguas es su acción degradante en diversas zonas del macizo, lo que provoca un deterioro significativo de sus propiedades mecánicas (menor resistencia y mayor deformabilidad) en ciertos materiales.

2.4.6. Meteorización

La meteorización es la alteración físico-química de las rocas en superficie, debido a las reacciones con soluciones atmosféricas líquidas o gaseosas. La importancia de la meteorización radica en su efecto sobre las propiedades mecánicas de los materiales afectados, así como en la influencia sobre las características friccionales de las superficies sobre las que actúa. Además, una roca sometida a un elevado grado de meteorización se convertirá finalmente en un material desagregado o poco cementado conocido como suelo. A medida que un macizo rocoso se meteoriza, tenderá a parecerse a este tipo de materiales. En la transición, se suele hablar de"roquisuelo" o rocas blandas-suelos duros.