Curso: geologa aplicada
CAPITULO I: INTRODUCCIN A LA MECNICA DE ROCASDocente: Ing. Hernan Fernandez Galvez
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Escuela Acadmico Profesional de INGENIERA HIDRULICA
Captulo I: Introduccin a la mecnica de Rocas
1.1 Introduccin, conceptos generales.
1.2 Introduccin a la mecnica de Rocas
1.3 Deformacin de las Rocas.
1.4 Cargas y esfuerzos que estn sometidas las rocas.
1.5 Modulo de elasticidad.
1.6 Esfuerzo de trabajo de las rocas.
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MECNICA DE ROCAS
PROPSITO. Impartir los conocimientos y las herramientas declculo necesarios para llevar a cabo de manera racional y eficiente
las mencionadas tareas del diseo geotcnico.
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MACIZOS ROCOSOS?
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Introduccin a la mecnica de rocas.
Discontinuidades: Es cualquier plano de origen
mecnico o sedimentrio que independiza o
separa los bloques de matriz rocosa en un macizo
rocoso.
Matriz Rocosa: Material rocoso exento
de discontinuidades o los bloques de
roca intacta que quedan entre ellas.
MATRIZ ROCOSADISCONTINUIDADES
La Mecnica de Rocas se encarga
del estudio terico y prctico de
las propiedades y comportamiento
mecnico de los materiales
rocosos, y de su respuesta ante la
accin de fuerzas aplicadas en su
entorno fsico.
Docente: Ing. Wilver Morales Cspedes wmorales @unc.edu.pe
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La finalidad de la Mecnica de Rocas es conocer y
predecir el comportamiento de los materiales rocosos
ante la actuacin de las fuerzas internas y externas
que se ejercen sobre ellos.
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Los distintos mbitos de aplicacin de la mecnica de rocas se
agrupan en:
1) Cuando el material rocoso
constituye la estructura
(excavaciones de tneles,
galeras, taludes, etc.).
2) Cuando la roca es el soporte de
otras estructuras
(cimentaciones de edificios,
presas, etc.).
3) Cuando las rocas son
empleadas como material de
construccin (escolleras,
pedraplenes, rellenos, etc.).
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Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras
sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio
rocoso, el cual responde a estos cambios deformndose y/o
rompindose.
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El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a
soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite
evaluar su comportamiento mecnico y abordar el diseo de estructuras y
obras de ingeniera.
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La relacin entre ambos parmetros describe el comportamiento de los diferentes tipos
de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades fsicas y mecnicas de
los materiales y de las condiciones a que estn sometidos en la naturaleza.
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DEFORMACIN DE
LAS ROCAS
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Cuando hablamos de deformaciones, hablamos de desplazamientos
diferenciales en el seno de una roca o de un material artificial (ala de un
Avin, edificio.)desplazamientos que estn asociados a unos esfuerzos y
unas
condiciones de contorno
El ingeniero prev que le ocurrir a la estructura (en este caso artificial
(embalse, edificio.) o modificada (talud) cuando se la someta a esfuerzos
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FACTORES PRINCIPALES QUE CONTROLAN LA DEFORMACIN
DE LAS ROCAS
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El comportamiento tensin deformacin, o esfuerzo deformacin, de un cuerpo viene defino por la relacin entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones
producidas y hace referencia a como se va deformando y como va variando el
comportamiento del material rocoso a lo largo de la aplicacin de la carga.
Relaciones tensin - deformacin
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Modelos de comportamiento tensin - deformacin de las rocas
El comportamiento de las rocas puede clasificarse de forma general y simplificada
en:
Frgil, con deformaciones elsticas tpico de rocas duras y resistentes Frgil - dctil: con deformaciones elsticas y plsticas no recuperables; tpico
de rocas blandas poco resistentes
Dctil, con deformaciones plsticas predominantes (permanentes)
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FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTO Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1. La Litologa y propiedades de la matriz rocosa.
2. La estructura geolgica y las discontinuidades.
3. El estado de esfuerzos a que est sometido el material.
4. El grado de alteracin o meteorizacin.
5. Las condiciones Hidrogeolgicas.
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METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS
1. PROCESOS DE METEORIZACIN DE ORIGEN FSICO
a) Formacin de hielo
b) Insolacin
c) Formacin de sales
d) Hidratacin
e) Capilaridad
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2. PROCESOS DE METEORIZACION DE ORIGEN
QUMICO
a) Disolucin
b) Hidratacin
c) Hidrlisis
d) Oxidacin y Reduccin
METEORIZACION DE LOS MATERIALES ROCOSOS
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EFECTOS DEL AGUA SUBTERRANEA SOBRE LAS
PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS
El agua como material geolgico coexistente con
las rocas influye en su comportamiento mecnico
y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas
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Los efectos ms importantes son:
1) Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los
materiales meteorizados.
2) Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.
3) Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su
resistencia.
4) Las zonas alteradas y meteorizadas superficiales, las discontinuidades
importantes y las fallas son camino preferente para el flujo del agua.
5) Produce meteorizacin qumica y fsica en la matriz rocosa y en los macizos
rocosos
6) Es un agente erosivo
7) Produce reacciones qumicas que pueden dar lugar a cambio en la
composicin del agua
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El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y
permitir que las piezas de rocas se muevan.
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En rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de
aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento
de la roca ser muy rpido.
La presencia de agua en las fallas geolgicas y zonas de corte, influye
significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavacin.
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CLASIFICACIN DE LOS MACIZOS
ROCOSOS
Los macizos rocosos se clasifican basados
en factores que determinen su
comportamiento mecnico.
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CLASIFICACIN DE LOS MACIZOS ROCOSOS
1) Propiedades de la matriz rocosa.
2) Frecuencia y tipo de las discontinuidades que definen:
- El grado de fracturacin (ndice RQD)
- El tamao y la forma del macizo.
- Sus propiedades hidrogeolgicas.
3) Grado de Meteorizacin o Alteracin.
4) Estado de Tensiones In Situ
5) Presencia de agua
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Es el material rocoso exento de discontinuidades, o
bloques de roca intacta que quedan entre ellas. La
matriz rocosa, a pesar de considerarse continua,
presenta un comportamiento heterogneo y
anistropo ligado a su fbrica y a su microestructura
mineral. Mecnicamente queda caracterizada por su
peso especfico, resistencia y deformabilidad.
MATRIZ ROCOSA
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Es el conjunto de los bloque de matriz rocosa y de las
discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso.
Mecnicamente los macizos rocosos son medios discontinuos,
anistropos y heterogneos. Prcticamente pueden considerarse
que presentan una resistencia a la traccin nula.
MACIZO
ROCOSO
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DIAGRAMA QUE MUESTRA LA TRANSICIN DESDE LA ROCA INTACTA
HASTA EL MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO.
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Su reconocimiento, descripcin y caracterizacin es fundamental
para el estudio del comportamiento mecnico e hidrogeolgico del
macizo rocoso.
DISCONTINUIDADES
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Discontinuidades
La mayora de los problemas de estabilidad se deben a la interseccin de la seccin del tnel
con planos de discontinuidad
Se distinguen las
discontinuidades de tipo
singular. Las diaclasas,
planos de estratificacin y de
esquistosidad pertenecen al
primer grupo, y estn
presentes prcticamente en
todas las rocas, con mayor
incidencia en zonas poco
profundas, donde los
procesos de meteorizacin y
circulacin de agua y los
rellenos arcillosos son mas
frecuentes. A grandes
profundidades la presin
confinante hace que la
apertura de las
discontinuidades sea menor
pudiendo llegar a estar muy
cerradas.
Son cualquiera de los planos de origen mecnico o sedimentario que
independiza o separa los bloques de matriz rocosa de un macizo
rocoso. Generalmente la resistencia a la traccin de los planos de
discontinuidad es muy baja o nula. Su comportamiento mecnico queda
caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del
material de relleno.
Dependiendo de cmo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales
dentro de la masa rocosa, sta tendr un determinado comportamiento frente a las
operaciones de minado.
DISCONTINUIDADES
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La presencia de planos de debilidad de orientaciones
preferentes (estratificacin, laminacin, familia de
diaclasas, tectnicas) implica diferentes propiedades y
comportamiento mecnico en funcin de la direccin
considerada. Tambin la orientacin de los esfuerzos que
se ejercen sobre el material rocoso puede implicar una
anisotropa asociada al estado tensional.
ANISOTROPIA
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MACIZO ROCOSO
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DISCONTINUIDADES DE LA MASA
ROCOSA
Los principales tipos de discontinuidades
presentes en la masa rocosa son:
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PLANOS DE ESTRATIFICACIN
Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.
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Son fracturas que han tenido
desplazamiento. stas son
estructuras menores que se
presentan en reas locales de
la mina o estructuras muy
importantes que pueden
atravesar toda la mina.
FALLAS
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Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde
ha ocurrido fallamiento de la roca.
ZONAS DE CORTE
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Tambin denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las
que ms comnmente se presentan en la masa rocosa
DIACLASAS
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PLANOS DE EXFOLIACION O ESQUISTOCIDAD
Se forman entre las capas de las rocas metamrficas dando la
apariencia de hojas o lminas.
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CONTACTOS LITOLGICOSCuando comnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.
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VENILLASSon rellenos de las fracturas con otros materiales
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PLIEGUESSon estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados
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DIQUESSon intrusiones de roca gnea de forma tabular, que se presentan
generalmente empinadas o verticales o subverticales.
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PROPIEDADES DE LAS
DISCONTINUIDADES
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ORIENTACIN
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Es la posicin de la discontinuidad en el espacio y comnmente es descrito
por su rumbo y buzamiento.
Cuando un grupo de
discontinuidades se
presentan con similar
orientacin o en otras
palabras son
aproximadamente
paralelas, se dice que
stas forman un
sistema o una familia de discontinuidades.
ESPACIADO
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Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. ste determina el
tamao de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques
sern ms pequeos y cuanto ms espaciado tengan, los bloques sern ms grandes.
PERSISTENCIA
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Es la extensin en rea o tamao de una discontinuidad.
Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa ser ms estable y cuanto
mayor sea sta, ser menos estable.
RUGOSIDAD
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Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto
menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa ser menos
competente y cuanto mayor sea sta, la masa rocosa ser ms competente
APERTURA
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Es la separacin entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado
de abierto que sta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa
rocosa sern mejores y a mayor apertura, las condiciones sern ms
desfavorables.
RELLENO
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Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los
materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando stos
son ms duros, sta es ms competente.
PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES
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REPRESENTACIN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES
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CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA
De acuerdo a cmo se presenten las caractersticas de la masa rocosa,
sta tendr un determinado comportamiento al ser excavada.
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Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades
favorables, la masa rocosa ser competente y
presentar condiciones favorables cuando sea
excavada.
Si la roca intacta es dbil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades
desfavorables, la masa rocosa ser incompetente
y presentar condiciones desfavorables cuando
sea excavada.
Habr situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca
tendr condiciones regulares cuando sea
excavada.
CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO
Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de
clasificacin geomecnica ampliamente difundidos en todo el mundo,
como los desarrollados por Barton y colaboradores (1974), Laubscher
(1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y otros.
Por su simplicidad y utilidad, estn los criterios RMR (Valoracin de la
Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (ndice de Resistencia
Geolgica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan
utilizando los datos de los mapeos geomecnicos efectuados en las
paredes de las labores mineras o en
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EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
1.La resistencia compresiva (Rc)
De la roca intacta, que puede ser determinada con golpes
de picota o con otros procedimientos como los ensayos
de laboratorio.
Puede ser determinado utilizando los testigos de las
perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de
trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la
longitud total del taladro.
2.El RQD (Rock Quality Designation)
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TESTIGOS DE PERFORACIN DIAMANTINA
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3.El espaciamiento de las
discontinuidades.
4.La condicin de las discontinuidades,
referidas en este caso a la persistencia,
apertura, rugosidad, relleno y
meteorizacin.
5.La presencia de agua.
EL CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
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PROPIEDADES DE LA
MATRIZ ROCOSA
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PROPIEDADES FISICAS
Controlan las caractersticas resistentes y
deformacionales de la matriz rocosa, y son el
resultado de la gnesis, condiciones y procesos
geolgicos y tectnicos sufridos por las rocas a
lo largo de su historia.
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1.Composicin Mineralgica
2.Fbrica, textura
3.Porosidad
4.Peso Especfico
5.Contenido de humedad
6.Permeabilidad
7.Durabilidad (Alterabilidad)
PROPIEDADES FSICAS NDICES
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PROPIEDADES MECANICAS
1.Resistencia a la Compresin Simple
2.Resistencia a la traccin
3.Velocidad de propagacin de las ondas elsticas
4.Resistencia
5.Deformabilidad
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En el comportamiento mecnico de los macizos rocosos
influyen adems las Caractersticas Geolgicas:
1) Litolgicas
2) Estratigrafa
3) Estructura Geolgica
4) Discontinuidades tectnicas o Diagnicas
5) Estados de esfuerzos In Situ
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ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES
La roca puede ser minada con mayor seguridad
en una direccin que en otra, la
direccin preferencial de avance de la excavacin
es determinada por el rasgo
estructural dominante de la masa rocosa.
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Minar en la direccin preferencial de
avance, significar tener condiciones ms
ventajosas para la estabilidad de la
excavacin. Contrariamente, minar en la
direccin de avance menos favorable,
puede alterar o debilitar la estabilidad de la
masa rocosa durante la vida de la mina,
representando peligro de cada de rocas.
ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES
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Si una excavacin avanza en forma paralela a un
sistema principal de
discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas
principales y zonas de corte, las
condiciones de estabilidad de la masa rocosa sern
muy desfavorables por el
debilitamiento de la roca, principalmente cuando el
buzamiento de estas
estructuras es mayor de 45 .
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Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura
rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la
excavacin, las mismas que presentan inestabilidad.
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En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca
es una constante
preocupacin, particularmente si la excavacin avanza
cerca de una falla
geolgica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el
rea ubicada entre la
falla y la excavacin y si estos esfuerzos exceden la
resistencia de la roca, puede
ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir
reventazones y hasta
estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.
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Problemas de inestabilidad cuando la excavacin avanza
paralela a una falla
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Condiciones de avance muy favorables para la estabilidad. La estructura
rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la
excavacin, las mismas que presentan buena estabilidad.
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El principio sealado tambin es aplicable al caso de
cuas biplanares, no siendo recomendable que el eje
de la excavacin sea paralelo a la cua biplanar, sino
que la excavacin atraviese la cua, es decir, que el
rumbo de la cua sea perpendicular al eje de la
excavacin, en este caso, las mismas familias de
discontinuidades permitirn el autosostenimiento de la
excavacin
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En lo posible, la excavacin debe atravesar la cua
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As mismo, el mencionado principio tambin
es aplicable al caso de labores mineras en
zonas de pliegues con anticlinales y
sinclinales. En este caso, la ubicacin y
direccin de avance de las excavaciones
influirn en las condiciones de
estabilidad de las excavaciones.
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En general, las labores cuyo
avance es perpendicular a los
ejes de los plegamientos,
presentarn mejores
condiciones de estabilidad
respecto a las orientadas en
forma paralela a los ejes,
siendo las ms desfavorables
las paralelas a los ejes de los
sinclinales por la
concentracin de los flujos
de agua y de los esfuerzos.
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Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de tneles
y galeras para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una
mina.
(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy
desfavorables. A) Tramo de galera de condiciones favorables; B) Tramo de
condiciones desfavorables.
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Al definir un volumen de macizo rocoso, implcitamente estamos tambin
definiendo el tamao de los trozos de roca y de las estructuras que conforman este volumen a estudiar
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