Anisotropía

Los materiales anisótropos son aquellos cuyas propiedades varían en función de la dirección utilizada para su medida. Aunque el carácter anisótropo de las rocas que poseen esta característica se manifiesta en todas sus propiedades, pero más en su resistencia y en su deformación. La anisotropía más frecuente es la producida por la distribución no aleatoria de las fisuras, al aumentar la tensión de confinamiento, el cierre de las fisuras hace que este tipo de anisotropía se manifieste con menos intensidad. También puede ser debida a la orientación en bandas de minerales.

La resistencia de este tipo de rocas varía en función del ángulo que los planos de anisotropía forman con las tensiones principales. El mínimo de resistencia se alcanza cuando los planos de debilidad de la roca forman un ángulo de 30 con la dirección de tensión principal máxima.

Puede estudiarse mediante ensayos de tracción realizados en diferentes direcciones o ensayos de compresión uniaxial con cargas aplicadas en distintos ángulos. Resultados:

• Las rocas muestran la máxima resistencia a la compresión en dirección perpendicular a las discontinuidades.
• Los valores mínimos de la resistencia a compresión suelen producirse cuando las cargas actúan según ángulos (30-40).
• Cuantas más discontinuidades, la roca es más isotrópica.

Influencia del tiempo en la rotura de las rocas

Según la teoría de la elasto-viscoplasticidad, la deformación total sufrida por un cuerpo se puede describir como la suma de una deformación elástica, reversible e independiente del tiempo, más una deformación plástica, irreversible y dependiente del tiempo. La magnitud de la rotura de una roca desciende exponencialmente a un valor límite (umbral de fluencia) cuando el tiempo tiende a infinito. Por otra parte está la capacidad de la roca de soportar una tensión mayor que la que resiste en un ensayo de compresión uniaxial. Al disminuir la velocidad de aplicación de la carga disminuye también la velocidad de deslizamiento de las superficies de las microfisuras ya cerradas, con lo cual aumenta su resistencia a la fricción y, como consecuencia, la concentración de tensiones en los extremos de las microfisuras, lo que favorece la propagación de éstas, haciendo que la resistencia de la roca sea menor. Cuanto más rápida sea la aplicación de la carga, la roca será más resistente. La deformación dependiente del tiempo (“creep”), que afecta en mayor o menor grado a todas las rocas, se entiende que es a carga constante. Generalmente no se puede volver a la situación inicial cuando se elimina la carga, pasado un cierto tiempo, o sea, este tipo de deformaciones tiene un carácter plástico, además de viscoso. Los efectos diferidos se acentúan con el aumento de la temperatura, que reduce la viscosidad, y con el incremento de las tensiones desviadoras.

Comportamiento frágil y dúctil

Las rocas tienen un comportamiento elasto-frágil cuando están sometidas a un campo de tensiones de tipo uniaxial. Pero, a medida que va aumentando la presión de confinamiento su comportamiento se va haciendo cada vez más dúctil. A medida que se incrementa la presión de confinamiento va aumentando también la resistencia de la roca y disminuyendo la pendiente de la curva tensión-deformación en el tramo de post-rotura, o sea, la roca se va haciendo dúctil.

Cuando se alcanza la resistencia de pico, en el caso de una roca de comportamiento frágil, la probeta continúa comprimiéndose pero la carga que puede soportar se reduce progresivamente. Al mismo tiempo la máquina pierde carga y su deformación disminuye. A) La energía que absorbe la probeta es menor que la energía liberada por la máquina y este exceso de energía da lugar a que la probeta se rompa. B) La energía cedida por la máquina es inferior a la necesaria para seguir deformando la probeta, por lo que se debe suministrar energía externa a la prensa para continuar el ensayo. Este suministro de energía permite obtener el tramo de post-rotura de la curva tensión-deformación.

Rotura a compresión

Nada más aplicar la tensión ciertas fisuras y poros comienzan a cerrarse, lo cual genera una deformación inelástica y la curva tensión-deformación muestra una concavidad dirigida hacia arriba. En la mayor parte de las rocas esta fase, que se denomina de cierre de fisuras y termina en el punto de ordenada s1 c , va seguida de un tramo recto durante el cual la relación entre la tensión axial, la deformación axial y la deformación lateral es lineal. La pendiente de dicha recta en unos ejes de coordenadas s1-e1 es el módulo de Young de la roca y la relación entre e3 y e1 es su coeficiente de Poisson. A continuación la pendiente de la deformación lateral comienza a disminuir, debido a que se forman nuevas microfisuras subverticales en la roca, especialmente cerca de la periferia de la probeta, en su zona central. La dirección de las microfisuras que comienzan a formarse es, en términos generales, paralela a la tensión axial s1. Este tramo de las curvas tensión-deformación de la roca, que se denomina de propagación estable de las fisuras, comienza en el punto de ordenada s1o , denominado umbral de fisuración, y termina en el de ordenada s1o ; esta última tensión se puede considerar como la resistencia a largo plazo de la probeta. Propagación estable quiere decir que a cada incremento de la tensión le corresponde un aumento finito de la longitud de las microgrietas y que éstas cesan de crecer al dejar de aumentar la tensión. A continuación el ensayo entra en el tramo denominado de propagación inestable de las fisuras, en el cual éstas empiezan a alcanzar los extremos de la probeta, a intersectarse y a coalescer unas con otras hasta dar lugar a una superficie de fractura semicontinua. Este proceso, durante el cual disminuye la pendiente de la curva s-e, continúa hasta que se alcanza la resistencia máxima de la probeta 1 M s . Esta carga se conoce como resistencia de pico y es la que se suele definir mediante los criterios de rotura. Sin embargo, el ensayo no se acaba al llegar la roca a su resistencia máxima, si la rigidez de la prensa es superior a la rigidez de la probeta. En este caso, es posible continuar el ensayo hasta llegar a la resistencia residual de la roca, si bien es necesario para ello ir reduciendo la carga aplicada a la probeta ya que ésta se sigue deformando pero resiste cada vez menos. Esta última fase de tránsito entre la resistencia de pico y la residual es a veces de gran importancia en los pilares de las minas subterráneas. La resistencia residual de la probeta en el ensayo de compresión simple es nula, mientras que en el ensayo triaxial adquiere el valor correspondiente al ángulo de fricción de las partículas de roca rota.