Mecanismos de Rotura

1) Rotura por Esfuerzo Cortante: Se produce cuando una determinada superficie de la roca está sometida a esfuerzos de corte tan altos que una cara de la roca desliza con respecto a la otra. Un ejemplo son las roturas a favor de las discontinuidades en taludes de macizos rocosos.

2) Rotura por Compresión: Cuando la roca sufre esfuerzos de compresión, microscópicamente se producen grietas de tracción y planos de corte que progresan en el interior de la roca. Un ejemplo son los pilares de soporte de una excavación minera.

3) Rotura por Flexión: Se produce cuando una sección de la roca está sometida a momentos flectores.

4) Rotura por Tracción: Se produce cuando la disposición y/o estructura del macizo rocoso hace que una cierta sección de la roca esté sometida a una tracción pura o casi pura.

5) Rotura por Colapso: Se produce bajo condiciones de compresión isotrópica, es decir, cuando el material recibe compresiones en todas las direcciones del espacio. La estructura de la roca se rompe transformándose en un material pulverulento tipo suelo. Se produce en rocas muy porosas.

Relaciones Tensión-Deformación en las Rocas

Viene dado por la relación entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones producidas, cómo varía la resistencia del material para determinados niveles de deformación:

• El comportamiento antes de llegar a la rotura.
• La forma en que se produce la rotura.
• El comportamiento después de la rotura.

Si debido a la aplicación de una carga sobre un cuerpo rocoso se supera su resistencia pico puede ocurrir lo siguiente:

1. La resistencia de la roca disminuye drásticamente incluso hasta alcanzar un valor aproximado a cero, es el caso de un comportamiento frágil.
2. La resistencia de la roca decrece hasta un cierto valor después de haberse alcanzado deformaciones importantes, es el caso de un comportamiento frágil-dúctil.
3. La deformación sigue aumentando sin que se pierda resistencia, es el caso de un comportamiento dúctil.

Modelos de Comportamiento Tensión-Deformación en las Rocas

En el comportamiento dúctil, la resistencia de pico y la residual son iguales. La deformación que se produce, sin pérdida de resistencia, se llama deformación dúctil. El comportamiento frágil se caracteriza por presentar diferencias importantes entre la resistencia pico y la residual y, al ser la caída de resistencia brusca, apenas existe diferencia entre la deformación pico y la deformación correspondiente a la resistencia residual.

En el campo elástico la deformación es proporcional al esfuerzo y se cumple la relación E=G/e donde E es el módulo de Young o módulo de elasticidad.

Es importante que para la construcción de obras en rocas blandas, en las que, para esfuerzos inferiores a la resistencia pico, el material sufre deformaciones plásticas irrecuperables. A partir de ese punto, un pequeño incremento de carga puede dar lugar a la rotura progresiva definitiva del material, incluso si la carga se mantiene constante, el paso del tiempo y la meteorización pueden ocasionar la pérdida definitiva de la resistencia.

El comportamiento elástico o plástico depende de las propiedades resistentes intrínsecas de la roca y de las condiciones en las que se están aplicando los esfuerzos (valor de las tensiones confinantes, temperatura, presencia de agua intersticial).

Modelo de Comportamiento Elástico

En rocas frágiles los valores de Gx y Gy están muy próximos o coinciden, lo que no ocurre para rocas con comportamiento dúctil.

Procesos Tiempo-Dependientes de Fluencia o Creep y de Relajación

Este aspecto es importante porque el material puede evolucionar y llegar a la rotura a partir de condiciones constantes de carga o deformación mantenidas a lo largo del tiempo, como son las sales.

Criterios de Resistencia

El comportamiento mecánico de las rocas depende de su resistencia y las fuerzas aplicadas, estos esfuerzos quedan definidos por las tensiones principales que actúan G1, G2 y G3 dependiendo principalmente de la magnitud de estas tensiones y su dirección.

La ley de comportamiento de un material se define como la relación entre los componentes del esfuerzo que indica el estado de deformaciones que sufre el material, en teoría debería servir para predecir:

• El valor de la resistencia de pico del material.
• La resistencia residual.
• La resistencia del límite de elasticidad.
• El inicio de la generación de la fractura.
• Las deformaciones sufridas por el material.
• La energía del proceso de rotura y deformación.

Ante la práctica imposibilidad de obtener las leyes que rigen el comportamiento, la resistencia y la rotura se emplea una serie de criterios de rotura o de resistencia obtenidos a través de ensayos de laboratorio, estas son expresiones matemáticas que representan modelos simples que permiten estimar la resistencia del material en base a los esfuerzos aplicados y a sus propiedades resistentes. Resistencia = f(G1, G2, G3, Ki) donde la K es un conjunto de parámetros representativos de la roca y para medir los criterios de deformación es Resistencia = f(31, 32, 33, Ki). Los criterios también pueden ser desarrollados en términos de esfuerzo normal y tangencial como está en la figura. Dado que el esfuerzo efectivo controla el comportamiento esfuerzo-deformación de las rocas porosas, los criterios de resistencia o rotura deberían ser establecidos en términos de esfuerzos efectivos. De los criterios que consideran la resistencia pico del material es el criterio de rotura lineal de Coulomb T = c + GnTang(phi) donde c es cohesión y phi el ángulo de resistencia interna del material.