Conceptos Fundamentales en Geotecnia y Mecánica de Rocas: Dominios, Propiedades y Criterios de Falla

Conceptos Clave en la Caracterización Geomecánica

Definiciones de Dominios y Sectores

• Dominio Geológico: Área donde la litología, alteraciones y mineralogía presentan características similares. Está limitado por estas variaciones litológicas/alteraciones/mineralógicas.
• Dominio Estructural: Sectores definidos por la similitud en los conjuntos de discontinuidades (sets) y están limitados por fallas.
• Sectores Cinemáticos: Representan la intersección de la orientación de las paredes (discontinuidades) con el dominio estructural, definiendo la configuración de posibles movimientos (e.g., cuñas o cuñas de roca).

Parámetros de Estabilidad y Resistencia

Factor de Seguridad (FS)

El Factor de Seguridad (FS) es constante para un nivel de análisis dado y depende de la escala:

• Banco: $\text{FS} > 1.1$
• Inter-rampa: $\text{FS} > 1.3$
• Global: $\text{FS} > 1.5$

Índice de Calidad del Macizo Rocoso (GSI)

El GSI (Global Rock Mass Rating) es un parámetro escalar que evalúa las propiedades de la roca intacta en relación con el macizo rocoso. Se basa en la rugosidad de las discontinuidades y la resistencia de los bloques. No posee un valor único, sino que se expresa en un rango.

Asignación de Resistencia

1. Asignar resistencia a la tracción mediante iteración y despeje de $\sigma_3$.
2. Asignar resistencia al corte mediante el paso al criterio de Mohr-Coulomb (M-C).
3. Asignar compresión al macizo rocoso.

Relación entre RMR y Espaciamiento

El RMR (Rock Mass Rating) y el Espaciamiento son métodos indirectos:

• El RMR evalúa qué tan fracturada está la roca, enfocándose principalmente en discontinuidades mayores a 10 cm.
• El espaciamiento mide la distancia promedio de separación entre estas fracturas.

Análisis de Esfuerzos: Pseudo-estático vs. Dinámico

• Pseudo-estático: Asume una fuerza que incorpora la inercia de la roca (fuerza que simula una aceleración).
• Dinámico: No incluye explícitamente la aceleración en su formulación base.

Propiedades Volumétricas y Densidades

Relación entre Humedad y Saturación

Se deben considerar las siguientes relaciones:

• Humedad 100% vs. Saturación 100%: Es posible que el contenido de agua en masa ($\text{W}_w$) sea igual al contenido de sólidos ($\text{W}_s$), pero esto no garantiza que el agua ocupe totalmente los vacíos de la muestra.
• Saturación 100% vs. Humedad 100%: Si la saturación es del 100%, el agua ocupa todos los vacíos existentes. Por lo tanto, la humedad puede ser alta, pero no necesariamente alcanza el 100% (en términos de peso de agua respecto al peso total).
• Imposibilidad de $\text{H}_{100}$ sin $\text{S}_{100}$: No existe una relación directa garantizada entre peso y volumen que permita asegurar $\text{H}_{100}$ si no se alcanza $\text{S}_{100}$.

Tipos de Densidad (Peso Específico)

Se definen varios pesos específicos ($\gamma$):

• $\mathbf{\gamma_{sat}}$ (Saturada): Muestra con todos los vacíos llenos de agua (presenta el mayor peso específico).
• $\mathbf{\gamma_{h}}$ (Húmeda in situ): Terreno en condiciones in situ, ya sea saturadas, secas o intermedias.
• $\mathbf{\gamma_{d}}$ (Seca): Muestra sin contenido de agua.
• $\mathbf{\gamma_{boyante}}$ (Boyante o Sumergida): Es el peso efectivo bajo el agua ($\gamma_{sat} - \gamma_w$, donde $\gamma_w$ es el peso específico del agua).

El orden de magnitud es: $\mathbf{\gamma_{sat} > \gamma_{h} > \gamma_{d} > \gamma_{boyante}}$.

Cálculo del Factor de Seguridad (FS)

El FS se calcula como la división entre la sumatoria de las fuerzas solicitantes y la sumatoria de las fuerzas resistentes. En minería, se utiliza para el análisis de estabilidad de diversas estructuras como taludes, túneles y pilares subterráneos. Para el análisis de estabilidad de taludes, se busca el equilibrio límite, y para que el sistema sea estable, el FS debe ser mayor a 1.

Criterios de Resistencia en Exámenes de Geotecnia

1) Criterio de Hoek-Brown (HB)

Se aplica cuando la roca intacta o el macizo rocoso puede ser considerado homogéneo e isótropo. Funciona adecuadamente en macizos cuya resistencia está controlada por bloques angulares de rocas duras y bien estructuradas.

Comparativa de Criterios (MC vs. HB)

Ventajas y Limitaciones

Criterio de Mohr-Coulomb (MC)

• Ventaja: Permite definir claramente el corte y los esfuerzos principales.
• Limitación: Asume una relación lineal entre el corte y los esfuerzos normales ($\sigma_1$ y $\sigma_3$ no lineales). La dirección de falla experimental no siempre coincide con la teórica. Es preferido para la roca intacta y se enfoca en el momento de la falla pico. El corte depende de la cohesión y la fricción.

Criterio de Hoek-Brown (HB)

• Ventaja: Permite estimar los esfuerzos principales a partir de las perturbaciones del macizo rocoso.
• Limitaciones: Solo debe aplicarse al material rocoso intacto o a macizos rocosos fracturados que puedan ser considerados homogéneos e isótropos. No es adecuado para macizos rocosos cuyas propiedades estén controladas por una sola familia de discontinuidades (e.g., estratificados). Cuando existen dos familias de discontinuidades muy marcadas, el criterio HB debe usarse con prudencia.