Propiedades Indice y Mecanica de Las Rocas

pRoptEDADESilrolce y ruecÁmcAs UNIDAD II.. DE LAS RocAS 1t',,t / -t PRUEBAS DE LABORATORIO Y CAMPO 2.I.. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDAOES íruO¡CC con fines geotécnicos. Estas propiedades, denomínadas propiedades índice, serán las que -mineralógica determine en primera instancia, junto con la composicién y la fábric", irs de todas ellas y los métodos para su evaluación. Existen una serie de parámetros que se emplean para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades básicas de las rocas y permiten, asl mismo, establecLr una primera clasificación propiedades y el comportamiento mecánico de la matriz rocosa. En la tablá2.1 s'e incluye una lista Muchas de las propiedades ingenieriles de las rocas dependen de la estructura de las particulas minerales y de la forma en que estas están unidas. Las ¡iropiedades Índice o propiedades físicas de las rocas se determinan en el laboratorio; las mas importantes a nivel de influencia en el cornportamiento mecánico son la porosidad, el peso específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagación de las ondas sónicas.'Algunas de estas propiedades, además de servir para su clasificaciÓn, están directamente relacionadas con las caracterfsticas resistentes y deformacionales de las rocas. PROPIEDADES Composición mineralóg¡ca Fábríca y textura Tamaño de grano Color Propiedades de identificación y clasificación Porosidad (n) Peso específico (v) Contenido de humedad Grado de alteración (porcentaie de absorción) Permeabilidad (coeficiente de permeabilidad. k) Durabilidad METODOS DE DETERMINAClÓN Descripción visual. Microscopía óptica y electrónica. Difracción de rayos x Técnicas de laboratorio Ensavo de oermeabilidad Ensayo de alterabilidda Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de carga puntual Martillo Schmidt Ensayo de tensión directa Ensayos de tensión índirecta (Brasileña v Flexión) Medida de velocidad de ondas elásticas en laboratorio Ensayo de compresión triaxial Ensavo de corte directo Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de velocidad sónica Alterabilidad Resistencia a la compresión simple Resistencia a la tensión Propiedades mecánicas Velocidad de ondas sónicas Vp y Vs Resistencia (parámetros c y g ) Deformabilidad ( módulos de deformación elástica estáticos o dinámicos: E . v ) TABLA 2.1.- PROPIEDADES DE LA MATRIZ RocosA Y METoDoS pARA sU DETERM¡NAcIóN / 2.1.1.- POROSTDAD '/r t , = !-' *1gg Ym Se llama porosidad de una roca al cociente que resulta de dividir su volumen de vaclos Vv, entre su volumen totalVm y se expresa en porcentaje: su valorvaría desde o.1 o/o en rocas de porosidad reducida hasta 20 7o en rocas muy porosas. En las primeras, la porosidad está constituida por fisuras alargadas de espesor muy pequeño producidas por esfuezos de origen térmico y/o tectónico. En las muy porosas existen oquedades menos alargadas y equidimensionales, que son conductos de disolución en rocas sedimentarias o burbujas de gas atrapadas durante elenfriamíento de las rocas ígneas. La porosidad es correlacionable con el peso volumétrico, deformabilidad, resistencia y velocidad de las ondas slsmicas en rocas pertenecientes a la misma formación litológica. En la figura 2.1 se presenta una correlación entre porosidad, resistencia a la compresión simple y módulo tangente inicial de dos formaciones de roca caliza. , . I I F Id rc,t t Rg¡lo fOrtmF [-t,, ran ,\i Rc' E. cn I 'E Pru tJ A¡Eoilrorofr o ¡o I t ,\.$J ;\' -\u¿¡ \uar \l i ¡,--¡-z .g!i ,o rq.br poccnlojc FIGURA 2.I POROS]DAD DE F¡SURACIÓN N. VS. RESISTENCIA A LA COUPRESIÓI.I SIMPLE RC Y MÓDULO DE DEFORMABILIDAD. --DETERMINAC¡ÓN DE LA POROSTDAD: a) Porosímetro de Farran y Thénoz: depósito cilindrico C con dimensiones que permiten utilizarlo como portamuestras. El portamuestras C, debe quedar cenado herméticamente, Io que se puede lograr mediante un cm de longitud y con una llave R2, en su extremo superior. En el punto más bajo del tubo de vidrío se tiene una tercera rama provista de una llave R3, y un receptáculo móvil lleno de mercurio, H. Este dispositivo (fi9.2.2 ) está constituido por un tubo de vidrio en forma de U. La rama derecha de este tubo, de 70 cm de largo, termina en una llave R1; la izquierda, de '10 cm de altura, tiene un sistema de contacto de superficies ásperas engrasadas entre el portamuestras propiamente dicho y su tapa semiesférica. Esta tapa va conectada a un tubo de seccíón transversal conocida de 50 El procedimiento de medición de la porosidad es elsiguiente: /'t '/ -Se introduce la muestra en el portamuestras Rz. G y se abren las llaves Rr , Rz y Rg. el volumen H, se fija el nivel del mercurio inmediatamente debajo de las llaves R1 y -Desplazando --Se cierra la llave R3 -Se cierran las llaves Rr y Rz. -Se desplaza el receptáculo H hasta alcanzar el nivel inferior del portamuestras C el volumen H en su apoyo S. En estas condiciones, el aire contenido en la muestra se desprende y sube hasta ocupar cierto volumen cerca de la llave Rz. -Se abren las llaves Rr y Re y se desplaza H hasta que coincidan los niveles del mercurio en las dos ramas del tubo de vidrio. -Se mide el volumen del aire de la rama 2, que en estas condiciones está bajo la presión atmosférica, y se tomará como elvolumen de vacfos, Vv. -La porosidad se calcula con la fórmula dada. (Un minuto de permanencia de la muestra después delquinto paso es suficiente). ! se deja descansar I ; : .t !.' I FlG. z.z ponósltrlrETRo DE FARRAN y rHENoz b) Método de Walsh Consiste en someter a un espécimen de roca a una presión hidrostática, y obtener la gráfica del cambio de volumen unitario contra presión (fig. 2.3). Prolongando la recta AB se intercepta el eje de las abscísas en un punto que representa la porosidad de flsuración no de la roca. El método de Walsh para obtener la porosidad de fisuración se basa en el hecho de que, al someter a una muestra de roca a una presión hidrostática, se inicia un cierre progresivo de fisuras hasta alcanzar el punto A. Al incrementar la presión, la roca no fisurada muestra el comportamiento elástico lineal representado por lá recta AB. ¡blóH óe u pneslóN ApLtcADA c) Porosidad absoluta Permite conocer la cantidad total de poros y discontinuidades sin importar su origen y se puede calcular de manera indirecta mediante la siguiente expresión: n= 2. . dado que una roca está formada de diferentes minerales. DENSIDAD DE SÓLIDOS v§s I + w. 2. L vlv Flc.z. es la densidad de sólidos delcomponente i. por otra parte.1. la densidad de sólidos de la roca se puede calcular con el promedio pesado de las densidades de sólidos de cada tipo de cristales con la siguiente expresión: ^§s = f '=1 Ss. ¡ I .2. y usando los procedimientos de mecáníca de suelos. todos ellos de diferente densidad de sólidos.is el porcentaje decimaldelvolumen delcomponente i.l v/. Dicha densidad se puede determinar moliendo la roca.3 vennclóu DEL voLuMEN DE LA MUEsTRA rx rui. Vm =l I Donde: Ss.Ss La expresiÓn anterior supone que la densidad de sólidos es conocida.. V¡.. Asl pues. la Ss de la roca puede conocerse si se conocen los porcentajes de los distintos minerales que constituyen la roca mediante el uso de microscopios o del análisis petrográfico de secciones delgadas.' l ot= Es{uerzb hidrost«itico AV= Cornbio de volumen Vi= Volúmen iniciot I . además del peso propio de la rnuestra. PESO ESPECíFEO.3 -2.5 -2. De este modo se puede establecer la ecuación: - Wm=Wm+Q-13.1.3.1 2. El peso especlfico ó volumétrico yn".3.6 2.6 4.3.4 . y abajo del derecho la muestra sumergida en un recipiente que contiene mercurío..3..2.0 2.0 2.4 2.8 .64 2.Mediante la balanza (fig. El peso volumétrico seco |6.3.5.5.6 2. entre elvolumen de la muestra Vm.9 .3.3.6 Vm) y el peso de taras conocidas Q para equilibrar la balanza.4) se obtiene elvolumen de la muestra Vm de la manera siguiente: en el platillo izquierdo se coloca una tara igual al peso de la muestra. .4. -7. se tiene el empuje ascendente que sufre la muestra (13. entre elvolumen de la muestra Vm. En el platillo derecho. €s €l cociente del peso seco de la muestra Ws. se enfrla dentro de un recipiente hermético y se pesa (se obtiene Ws) .6Vm De donde se obtiene elvalor de Vm.2 DENSTDAD oe . Wm.Se pesa la muestra con su humedad natural(se obtiene Wm) Se seca al horno durante 24 h a 105' C. El procedimiento para obtener en laboratorio los pesos volumétricos natural y seco de una muestra de roca es el siguiente: .1 2.0 3. de una muestra de roca con la humedad natural es el cociente del peso de la muestra.70 2.6 .8 .9 .6 -2.2 .6 2.1-2.8 2.2 .6 4.2 7.6 3.4 Dolomita Anhidrita Piroxena Olivino Barita Magnetita Pirita Galena TABLA 2.En la tabla siguiente se presentan las densidades de sólidos de mínerales comunes: MlNERAL Halita Ss s/'t Yeso Serpentina Ortoclasa Calcedonia Cuarzo Plagioclasa Clorita e llita Calcita Muscovita Biotita 2.3 .65 2.3 -2.6 -2.3.6 sóuoos DE MTNERALES coMUNEs 2.7 .2 4. ()tro autor./31 FIGURA 2. este porcentaje se reporta como lndice de alterabilidad durabilidad. 2. o sea. (1973) propuso que se realice un segundo ciclo también de 10 minutos después de secado el material. La presencia del agua en las fisuras de la roca provoca la reducción de la energía superficial de sus minerales. Gamble.5). -* ym Ws Al aumentar el contenido de agua de una muestra de roca. como en el caso de una cuarcita en la que se varió el contenido de . La reducción de resistencia puede ser notoria. abrasión y otros procesos.. la alterabilidad es la capacidad de una roc€¡ para alterarse en elfuturo. al saturarse la muestra. en consecuencia.1. su deformabilidad aumenta y su resistencia a la compresión simple disminuye.00-5% a 0.b. Los cambios en su composición mineralógica o en la estructura producidos por la exfoliación. disminuye su resistencia a la compresión simple. por tanto la durabilidad es lo contrario de alterabilidad. la cohesión de la roca disminuye por la simple presencia del agua en los poros. disolución.CONTENIDO DE HUMEDAD. Se colocan aproximadamente 500 gr de roca rota en 10 pedazos. Después de estos 10 minutos de rotación a velocidad baja.agua de 0.-ENSAYE PARA DETERM¡NAR EL VOLUMEN DE LA MUESTRA -. bajo las condiciones predominantes en el sitio. El grado de alteración de una roca es un parámetro con el que se trata de definir el estado presente de la roca. el tambor se pone a girar durante 10 minutos a 20 rpm para dar a la roca un baño de agua.. en resumen se alteran y de ello se distinguen dos características de las rocas: su alteración y su alterabílidad.1. hidratación. su resistencia varió de 1900 Kg/cm2 á SO0 Xglcm'. El aparato consiste en un tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de longítud con una malla de 2 mm formando paredes cilíndricas.ALTERABILIDAD. se calcula el porcentaje de roca retenida por la malla con respecto al peso seco inicial.4. oxidación. La durabilidad de las rocas es una propiedad de fundamental importancia en todas las aplicaciones de las rocas. dentro del tambor.1. El peso volumétrico natural será: a/ Wm ym El peso volumétrico seco será: /¿ 2.09% pasando del estado seco al saturado. DURAB¡LIDAD Y GRADO DE ALTERACTÓN. . La prueba fndice de alterabilidad-durabilidad fue diseñada por Franklin y Chandra (1972).4. . se puede conocer la alterabilidad de las rocas: . Poresta razón. Sin embargo. p _D ='L'100 Donde: P2= Peso de la muestra alfinalizar la absorción. y se obtiene de la siguiente manera: Se seca la muestra de roca al horno a 105'C durante 2 horas. No está claro cual es la relación entre la durabilidad y la edad geológica pero si se sabe que la durabilidad crece linealmente con la densidad e inversamente coñ el contenido de agua natural. Basado en sus resultados Gamble propone una clasificación según la durabilidad y que se dan en la tabla 2.Li -_ t-Lt Esto se puede hacer comparando entre sí sus parámetros j correspondientes a intervalos de tiempo At del misino orden de magnitud y pequeños en relación con los intervalos de tiempo requeridos para la transformación de una roca sana en un suelo bajo la acción de los mismos a¡ entes de intemperismo. se ha optado por definir el grado de alteración como: i(%)= " .hora a 1 Tzhoras y se pesa. aproxímadamente. tanto por la expansión de la roca como por la disolución parcial de sus componentes. tomando en cuenta la existencia de una relación entre esta magnitud y el peso de agua absorbida por la muestra previamente secada al sumergirla. se denomina también de absorción de agua. las clasificaciones de las muestras de roca provenientes de una formación rocosa dada.P. definido como el cociente del incremento del grado de alteración dado por el cambio de absorción de agua Ai en un intervalo de tiempo. mediante el parámetro j.Los valores del Índice de alterabilidad-durabilidad de las pizanas y lutitas probadas por Gamble variaron de 0 al 1A0 o/o. Por tanto.3 Por otra parte.3 siguiente. dividido por el mismo intervalo de tiempo At. con la ecuación dada. adoptando como criterios el grado de alteración o la porosidad serán idénticas. aumenta su porosidad. obteniéndose Pr. Además. P1= Peso de la muestra secada al horno (105'C). cuando se altera una roca . Se sumerge en agua durante Y. % RETENIDO DESPUES DEL PRIMER C]CLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE EN PESOS SECOS) //s¡ CLASIFICACIÓN DEL GRUPO I I I % RETENIDO DESPUES DEL SEGUNDO CICLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE EN PESOS SECOS) Durabilidad muv alta Durabilidad alta Durabilidad medianamente alta Durabilidad mediana Durabilidad baia Durabilidad muv baia >gg 98-99 95-98 85-95 60-85 >98 95-98 85-95 60-85 30-60 <30 <60 TABLA 2. . La prueba de laboratorio para determinar i (grado de alteración de una roca). y se r I I pesa. obteniéndose Pz Se calcula el valor de i. resulta delicado conocer la porosidad de una roca. Con estos valores se puede definir un fñdice de calidad lO (%) con la síguiente expresión: IQ= fixrc| Debido a la extrema sensibílidad de lQ con el fisuramíento y basado en mediciones y observaciones microscópicas de las fisuras. En la tabla 2. la porosidad de fisuración está directamente ligada a la resistencia a la compresiÓn simple de la roca.a). En la práctica. Si la composición del mineral es conocida.6.-ÍNDICE DEL GRADO DE F¡SURACIÓN.1). 2.¿-W\ donde Vl*i es la velocidad longitudinal correspondiente al mineral "i" cuya proporción del volumen de la muestra de roca es Ci. las fisuras delespécimen introducen un cierto efecto. se define un punto en dicha figura que puede ca( r en alguna de las cinco zonas: I T . Fourmaintraux graficó el valor de le contra lá porosidad como base para describir el grado de fisuración del espécimen de roca (fig. 2.4 se dan valores promedio de velocidad longitudinal para diversos minerales constituyentes de rocas. Vl* se puede calcular como: 3/z i W.4VELOCIDAD LONGITUDINAL DE ONDA PARA MINERALRES TíPICOS.I. Co'tociendo la porosidad n (%) y el valor de lQ (%).2.6. 1 _\.S). calcular la velocidad de las ondas longitudinales (Vl-) como si el espécimen no tuviera poros ni fisuras. De este hecho.1. Fourmaintraux propone el siguiente procedimiento: primero. Tal como se mencíonó antes. El paso siguiente consiste en medir la velocidad de las ondas longitudinales Vl de la muestra de roca (ver inciso 2. al módulo de deformabilidad inicial tangente y a la velocidad de las ondas longitudinales y transversales entre otras propiedades (fig. Ci MTNERAL VELOCTDAD(M/S) Cuazo Olivino Augita Anfíbola Muscovita Ortoclasa Plagioclasa Calcita Dolomita Magnetita Yeso Epidota Pirita 6050 8400 7200 7200 5800 5800 6250 6600 7500 7400 5200 7450 8000 TABLA 2. Y es que. la velocidad de transmisión de ondas sonoras a través de una roca depende exclusívamente de sus propiedades elásticas y de su densidad. teóricamente. se desprende que Ia velocidad de las ondas sónicas puede usarse para conocer el lndice del grado de fisuración de una roca. Las probetas pueden ser cilindros o bloques rectangulares.5. Las velocidades correspondientes V. al atravesar una probeta de roca seca o saturada. lV.- 7/qt No fisurado a ligeramente fisurado. 2. ll.¡' -tl . y V. recomendándose que su por mfnima dimensión sea al menos de 10 veces la longitud de onda.Ligeramente fisurado a moderado. De igual forma se transmiien ondas transversales o de corte mediante pulsos sónicos y se registran los tiempos de llegada. Vp y Vs. variando así la distancia a recorrer las ondas.. El receptor puede también colocarse en un lateral de la probeta.. La velocidad de las ondás de corte Vs es aproximadamente dos tercios de la velocidad Vp de las ondas longitudinales. se calculan a partir de los tiempos.-Moderadamente fisurado a fuertemente fisurado. El ensayo consiste en transmitir ondas longitudinales mediante compresión ultrasónica y medir el tiempo que tardan dichas ondas en atravesar la probeta. y en el otro se sitúa el receptor que mide el tiempo que tardan las ondas en atravesar la longitud de la muestra de roca.a1Determinación de la velocidad de ondas sónicas en laboratorio para rocas. El trañsmisor o generador de la fueza compresiva y de los pulsos..1. y a partir de ella se calculan los módulos de deformación elásticos dinámicos: E6 y V¿. La veloóidad de las ondas está relacionada con las características mecánicas del material.l.clAstFtcnclóN oeu FtsuRAMtENTo or especíMENES DE RocA. Los módulos elásticos dinámicos del macizo Eo y va se obtienen a partir de las fórmulas: Ea : pVi (l-2vo)Q+vo) (1-vr) Er:2pV!(l+v). El ensayo de velocidad sónica permite medir la velocidad de las ondas elásticas longitudinales y transversales.Extremadamente fisurado. su resistencia y su deformabilidad. vd= (vp zlqro tv)2 -2 tv. V.-Fuertemente fisurado a muy fuertemente fisurado.6. lll. se fija sobre un extremo de la probeta. . n n(%) FlcuRA 2. (l-2vo) El valor del mÓdulo de deformación dinámico Ed es mayor que el determinado a partir de ensayos de compresión simple. Es posible y recomendable efectuar pruebas de permeabilidad en eampo con el objeto de conocer este parámetro en el lugar (ver UNIDAD lv). El valor del coeficiente de permeabilidad al aire es un índice del estado de . En la tabla 2. (m/s) Arenisca Caliza Conglomerado Cuarcita Diabasa Dolerita Dolomía Gabro Gneiss Granito sano Lutita Marga Mármol 14004200 4500-6500 2500€000 2500-5000 5000€500 5500-7000 4500€500 5000-6000 4500s500 3't0G. Este dato es útil para: a) prever el flujo y los problemas de estabilidad que este puede ocasionar a excavaciones bajo el njvel freático. ROCa Basalto Sana Velocidad de propagación de las ondas V. ya que la rápida aplicación de esfuezos de baja magnitud hace que la roca tenga un comportamiento puramente elástico. b) tomar medidas de tratamiento para garantizar un grado razonable de estanqueidad y estabilidad en presas y otras obras civiles. PERM EABILIDAD.donde p es la densidad del material rocoso (kg/m3 ) y vp y longitudinales y de corte (m/s). es necesario conocer la permeabilídad de las rocas.1.5500 4500s000 140G3000 180G. El valor de Vo . Elcoeficiente de Poisson no presenta una relación definida ion Vr.5 Velocidad de propagación de ondas Longitudinales en rocas 2. En la mayoría de los problemas prácticos. es indicativo de su calidad. Esto se debe a Ia presencia de discontinuidades que pueden modificar radicalmente los valores de la permeabilidad medida en campo y la medida en el laboratorio.6000 3500-5000 Pizarla Sal 4500-6000 Yeso 30004000 TABLA 2.r)''" Ve (l-vo) ^ V. Es importante señalar que la permeabilidad de una masa de roca puede ser muy diferente de la permeabilidad medida en un espécimen de roca en el laboratorio.7 . además de correlacionarse linealmente con la deformabilidad de la roca. vs son las velocidades de las ondas '/rl l-ro nr:l? (1+vr)(1 -2vo) ]"'' ''=Wr0:. al estar relacionado con propiedades como la porosidad y la resistencia a la compresión simple.. -Pruebas de permeabilidad en laboratorio: Fn el laboratorio se mide elcoeficiente de permeabilidad alaire y la variación con el tiempo de la permeabilidad al agua.3200 350G.5 se presentan algunos valores de la velocidad de propagación de ondas elásticas de compresión en rocas comunes. y la variación de la permeabilidad al agua es indicativa de la alterabilidad de la roca.. Un procedimiento alternativo para medir la permeabilidad es medíante la generación de un flujo radialen un espécimen de roca cilíndrico y hueco (sensitividad). tt/. como se indica a continuación: i ponrauuesrRh i Comunicoción ol tubo dc vidrio t--A-1" L1. Si la permeabilidad varía con eltiempo o la composición qufmica delagua filtrada a través de la muestra se modifica. a).PERMEABTLIDAD AL AIRE. / .6 DISPOS¡TIVO PARA MEDIR LA PERMEABILIDAD AL AIRE.6.-.. El agua debe ser la misma con la que la roca estará en contacto en el campo. la alterabilidad de la roca es alta.PERMEABILIDAD AL AGUA. La prueba se realiza mediante el aparato de la figura 2.- +-.alteración de la roca.- \Ám.'T Esta prueba consiste en hacer pasar agua a través de la muestra de roca con carga constante. I FIGURA 2. la permeabilidad al agua puede disminuir por el sellado de los huecos o fisuras o aumentar por el arrastre de sales. b).= DEPOSITO DE I\€RCURIO. En ambos casos existe una reacción química entre el agua y los minerales constitutivos de la roca. . Se mide la variación de la columna de mercurio en un tiempo determinado. . son los coeficientes de permeabilidad resultantes cuando el flujo es divergente y convergente. c). hz alturas inicialy final de la columna de mercurio área de la sección transversaldeltubo área de la sección transversal de la muestra espesor de la muestra intervalo de tiempo conespondiente alcambio hr densidad del mercurio . Se denomina sensitividad al cociente de la permeabilidad medida cuando el flujo es divergente entre la medida al ser este convergente: k = ko'u k"oru donde ko¡. con una perforación axialde 12 mm de diámetro y 125 mm de longitud (fr1. respectivamente.hz de la columna de mercurio La experiencia indica que si el valor de la permeabilidad al aire k es menor de 10-i cm/seg. Se observa que este dispositivo es similar al de un permeámetro de carga variable. La prueba consiste en medir el coeficiente de permeabilidad de un flujo de agua radial producido primero en sentido convergente y después divergente a través de una muestra de roca cilfndrica con una perforación central. la columna de mercurio. entonces.6 a A L t 13. y k*. elevándose el mercurio Se cierra la válvula de conexión al vaclo Se destapa el portamuestra. La sensitividad y la fisuración están muy relacionadas. la fisuración es insuficiente y el material no es alterable. en consecuencia. al ser nulo el gasto de filtración del agente agresivo (agua) en ella.4t Se coloca elespécimen en el portamuestra. Se ha observado que al inyectar agua con presión p en una masa rocosa fisurada. elgasto de inyección Q sigue la ley: e=Apa Donde A es una constante y Q el gasto correspondiente al paso del agua a través de la abertura elástica producida en las fisuras preexistentes. !-a prueba de sensitividad se realiza en un cilindro de roca de 60 mm de diámetro y 150 mm de altura. el aire pasa a través de la muestra..6 donde: hr. se sella lateralmente y se tapa Se abre la válvula de vacfo..SENSITIVIDAD.. permeabilidad alaire se calcula mediante la siguiente expresión: La t =L6LL At hz 13. bajando.r r r r .7).2. 7. La perforación central queda comunicada al exterior mediante un tubo pegado con araldita. La presión hidráulica interior (flujo divergente) no deberá ser muy grande ya que puede ocasionar la falla de la probeta por tensión. por ejemplo. En ambos casos. el tubo de salida estará a la presión atmosférica. falló por esta razón.t i /'z Acotoclones cn mm FIGURA 2. cerrando las grietas y creando una barrera impermeable. En esta presa.o= 19=1nrt¿1TLp r? donde: O L altura delcilindro p presión aplicada rr tz radio exterior radio interior La sensitividad de una roca caracterizala magnitud de la variación de la permeabilidad de una roca al abrirse (flujo divergente) o cerrarse las fisuras (flujo convergente) bajo el efecto de una modificación del estado de esfuezos actuantes. La presa de Malpasset en Francía. obteniéndose una permeabilidad mayor. Las pruebas de este tipo realizadas con muestras de roca de la cimentación de Malpasset después de la falla demostraron que el coeficiente de permeabilidad puede tener variaciones muy grandes dependiendo del sentido del flujo radial. Esto implica la generación de esfuezos de tensión en la zona de aguas arriba. gasto medido En la cimentación de presas de concreto. Las pruebas se efectuaron con 1 y 50 kg/cm' de presión hidráulica como se dijo antes. Se introduce la muestra en un depósito de agua y se produce en ella un flujo radial convergente. la permeabilidad divergente resultó en algunas pruebas 50000 veces mayor que la permeabilidad con flujo convergente. el efecto de la carga de agua induce una rotación de la estructura con respecto al empotramiento. y después divergente mediante una presión interior de 1 kg /cm'. . En cambio aguas abajo se originan esfuezos de compresión. aplicando una presión exterior de 50 kg/cm'. El coeficiente de permeabilidad k se calcula mediante la expresión: kronu:kr. La permeabilidad medida con flujo divergente es mayor o igual a la medida con flujo convergente.-DISPOS]TIVO PARA MED]R LA SENS]TIVIDAD. Otros ejemplos del mismo fen 5meno se encuentran en la literatura como el de la presa de Santa Rosa en el Estado de Jal sco. Aguas arriba se origina un flujo que ocasiona una presión de poro casi igual a la carga hidráulica del embalse. Los ensayos de laboratorio se realizan sobre probetas generalmente cilfndricas de roca. preparación y tallado de la misma. Es importante definir claramente lo que se pretende medir y valorar. grado de meteorización). . es posible determinar las zonas de compresión y las de tensión. y los resultados de los ensayos deben ser interpretados teniendo en consideración sus limitaciones y grado de representatividad. porosidad. J//¡f. lncluso en rocas aparentemente isotrópas y homogéneas se dan direcciones preferentes de anisotropía y variaciones que influyen en los resultados de los ensayos de laboratorio. temperatura. Los valores obtenidos dependerán de la naturalezay condiciones de la roca (mineralogía. por lo que las dimensiones de las probetas suelen ser siempre pequeñas. Los ensayos deben realizarse de una forma sistemática y los resultados deben ser estadlsticamente representativos de la roca a investigar. estos materiales. atmaño de grano y cementación. una vez que están colocados.6. etc. velocidad de carga. microfisuración.Mediante procedimientos analíticos y métodos numéricos como por ejemplo et método det elemento finito. Esto permitirá tomar las medidas adecuadas para minimizar elefecto de la sensitividad. por lo general se usan testigos de sondeos. son virtualmente las mismas que se obtienen en el laboratorio. y de las condiciones del ensayo (forma y volumen de la probeta.- uso DE LA RocA seeún pRopTEDADES íNDrcE 2. FISURACION ALTERABILIDAD ESPECIFICA Baja AGREGADO PARA FACHADAS TUNELES CIMENTACIONES CONCRETO BAJA < 10 -7cm/seg BAJA <10-7 cm/seg Utilizable Por general utilizable lmpropia lo Revestimiento Utilizable innecesario AIta lmpropia no Revestimíento necesario Tratamiento de siempre relleno ALTA >10-7 cmiseg Baja Utilizable Por general utilizable lmpropia lo Revestimiento Utilizable tratamiento sin necesario Revestimiento necesario ALTA >10-7 cm/seq Alta lmpropia Tratamiento necesario TABLA 2. En las rocas no ocurre lo mismo. tales como elacero y el concreto.2 PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LAS PROP¡EDADES MECÁNICAS es uniforme y homogénea hasta el extremo de que las propiedades mecánicas de La composición de la mayoría de los materiales de construcción. contenido de hrrnedad.). dirección de aplicación de la carga. 2. Dentro de este gran intervalo han surgido varias propuestas de subdivisión que no son enteramente satisfactorias. en los sistemas de clasificación ingenierilde las masas rocosas. pero que pueden resumirse en la tabla 2.1. cargas axiales sin confinamiento. hidroneumático.q x o N o l ñ SI I . !"5/s? Estos ensayes permiten determinar la resistencia y deformabilidad de un macizo rocoso siempre y cuando la fisuración del espécimen sea representativa de la del macizo.1 COMPRESTÓN SlrUp¡-e. En pruebas de deformación bajo carga constante (creep) se requiere adaptar al marco de carga un sistema de control de resortes..5 cm de diámetro y altura igual a dos diámetros. electroneumático o electrónico para mantener la carga constante durante la deformación del espécimen.i.'. 2.0. Es el ensaye de laboratorio que consiste en aplicar a los especímenes de roca. Los resultados de estos ensayes se emplean en el diseño de revestimientos de túneles bajo presión y de cimentaciones de estructuras pesadas. La resistencia del espécimen es el valor del esfuezo bajo el cual el mate¡ial falla. Frcuu 2.. Dicho esfuezo se calcula comúnmente en Mpa o Kpa.7. junto con otros parámetros. Los especimenes son generalmente cilindros de 2.8). Para cada incremento de carga se mide la deformación longitudinal del espécimen (Fig.=:L 8r. 2. 'a : (E o () o c o o E A/ tj ¡ 'l Af Lt e o E='o 8e . .5 a 7. ( 1 Mpa = 1000 Kpá = 10.cURVA ESFUERZo DEFoRMAcTóN oBTENTDAS EN ENSAvES DE coMpRESÉN srMpLE El intervalo de variación de la resistencia a la compresión simple en rocas es usualmente de 5 a 400 Mpa. Además.2.ENsAyEs DE REstsrENctA A LA coMpREstóN smplE y rRtAxtAL .i-oLl UJ A" fo.2. la resistencia a la compresión simple y triaxial interviene.) ¡ j .197 Kg/cm2. 2. I I I t I I I t I t ¡ penetra en el espécimen. Lleva conectado un tubo pequeño de plástico enrollado al espécimen.1. durante la aplicación de la carga axial. deformómetros. entonces la presión de poro se mide en ambos extremos. de tal manera que el incremento de presión durante la carga deje síempre la presión confinante efectiva . y la presión confinante se incrementa gradualmente hasta su nivel de trabajo. En cada medición de desplazamiento del espécimen se resta el efecto de la deformación elástica del aparato. b) Pruebas drenadas En estas pruebas la instalación del sistema de contrapresión se mantiene abierto. La presión confinante se mantiene constante manualmente por medio de un tornillo-pistón que compensa los cambios de volumen que resultan de la deformación del espécimen.9 muestra un corte esquemático de una cámara de compresión triaxial diseñada para medir presión de poro. Una disminución de la presión de poro.I I t I I I I I I t T La mayoría de los laboratorios emplean aparatos Épaces de ensayar muestras cillndricas de roc-a t¿/¡? de 5 a 7. que sirve de dren durante el llenado de Ia cámara del fluido confinante (agua o aceite). corl valor positivo.3. la presión de poro debe mantenerse menor que la presión confinante. El sistema de contrapresión se cierra y el espécimen se carga progresivamente con una velocidad de aplicación de carga que debe quedar entre 5 y 10 kg/cmz.5 cm de diámetro con carga axial de 100 a 200 ton y confinamiento de 300 a 600 kg/cm2. La base y la cabeza tienen varios orificios a través de los cuales la presión de poro Al comienzo de los ensayes se saturan el sistema de medición de poro y el espécimen que queda protegido con una membrana de hule. a) Pruebas triaxiales no drenadas con medición de presión de poro. I . mangueras.-ANÁL§IS DE LAS PRUEBAS Para analizar los resultados de los ensayes de compresión deben trazarse sus cfrculos de falla de Mohr. / La cámara triaxialdel Bureau of Reclamation es capaz de ensayar núcleos de 15 cm de diámltro y 30 de altura y alcanzar 3600 ton de carga axialy 9000 kg/cm'de presión confinante. Consiste en una base.. cabeza.2.. cualquier íncremento de la presión de poro se disipa por los extremos. 2. manómetros y accesorios. I ¡ ) ¡ ¡ 2. Hasta 1963.10). Los clrculos de Mohr de pruebas de compresión simple son tangentes al eje de las ordenadas y los de triaxiales se localizan a una distancia de este eje igual al valor dei esfuezo confinante efectivo (fig. es señal de expansión del espécimen y ocurre frecuentemente durante una etapa avanzada de deformación. los ensayes tríaxiales se efectuaban sin drenaje ni medición de la presión de poro. La deformación axial durante la prueba se mide con una celda eléctrica. de tal manera que. o'3. La fig. Observaciones posteriores contemplaron la necesidad de medir la presión de poro a fin de obiener una información más realista acerca de la resistencia de la roca. También puede controlarse automáticamente con un regulador de presión. Durante las pruebas. Se aplica una pequeña carga axial. y en ensayes no drenados los esfuezos efectivos.10 c¡RcULoS DE MOHR Y ENVOLVENTES DE FALLA DE UNA PRUEBA DE COMPRESIÓN TRIAXIAL En ensayes drenados los esfuerzos normales aplicados. menos la pres¡ón de poro. El cambio de presiÓn de poro. Au. donde o es el esfuezo Las envolventes de falla de las rocas son. en general. Y Ao3. tomando en cuenta. Aol. son los efectivos. o'1 }l o'3.\ . or Y 03. 01. que para algunas rocas es considerable. Se dibuja la envolvente de los círculos de falla y la resistencia al corte se interpreta. tomando en cuenta la ley de Coulomb: r=c+o'tan$ donde: r = Resistencia alcorte 0 = ángulo de fricción interna c = cohesión o resistencia alcorte cuando o'= 0 o'= esfuezo normal efectivo actuante sobre el plano de corte norrnal externo y u es la presiÓn de poro. curvas. La posiciÓn de estos se selecciona de acuerdo con el nivel de esfuezos del problema de interés. y 03. se expresa en función de los cambios en los esfuezos principales. soo los normales aplicados. u.- 7'\ . . o' = o - LI. Los parámetros c y 0 de Coulomb definen la posición de intervalos limitados que pueden considerarse rectos. mediante la ecuación de Skempton desarrollada para suelos: au = B I ao3 + A ( ao1 + aog) ] con B = 4 Conde el coeficiente A depende de la desviación relativa del comportamiento de la roca de la teoría elástica./\ /l I CA FIGURA 2. creándose en el espécimen un estado de esfuezos de tensión (fig. cociente del peso específico entre la aceleración de la gravedad. Estas técnicas consisten en someter a la muestra de roca a tensión axial.11. donde: = 1.TENSTÓN AXtAL. de obtener la resistencia a la tensión es empleando una máquina centrífuga en la que se introduce el espécimen de roca de 36 cm de diámetro y 180 cm de longitud en un recipiente cilfndrico de acero de longitud algo mayor.I I I I I I I I I I I I I I I T T 2. compresión diametral (prueba brasileña) (Fig.1. ttf itl :j : ¡ Prol. el esfuezo a una distancia x de uno de los extremos de la probeta es: o.ei. (Lx x') . Existen dos técnicas para efectuar esta prueba. Al iniciar la rotacíón. Conociendo la velocidad angular ro y la densidad de la roca p.paf - L = longitud delespécimen p -. ENSAYES DE RESISTENGIA A LA TENSÉN.2.2.. apoyándose sobre una de sus bases en el interior del recipiente.ESQUEMA DE LOS ENSAYES DE TENSIÓN 2. . til o.11) o flexión. 2.D * i¡t p Traccr r¡r-¡ r trd. 2. la carga de tensión se aplica a los especimenes con mordazas ajustadas a sus extremos que son de mayor sección transversal que la zona central del espécimen donde se produce la falla.2. que se puede girar según el eje ortogonal central. . Una consiste en transmitir la carga de tensión axial al espécimen de roca con casquetes metálicos cementados a sus extremos.] .12) no uniforme que alcanza su valor máximo en su parte media. Los ensayes de tensión en especimenes de roca se han inspirado en las pruebas desarrolladas para probar cilindros de concreto. es un parámetro ritil para el diseño de excavaciones subterráneas y cimentaciones. I T I I I I I I t I I r Otro método. poco usual. el espécimen desliza. En la otra técníca.2.. La resistencia a la tensión obtenida a partir de ensayes de laboratorio.2l'ltrDL rccl:¡ Tracc¡ón d¡rccta FIGURA 2.. Este parámetro debe emplearse con un factor de seguridad. t7/tr ol 4O.'l 2. Cuando una carga P. PRUEBA DE FLEXIÓN.. sección transversal rectaÁgular. Consiste en someter a un espécimen de roca simplemente apoyado en sus dos extremos a una carga en el punto medio del claro.2. I FIGURA 2.2. el módulo de elasticidad promedio a la flexión es : " prom 6ly La resistencia de tensión a la flexiÓn es: F :!rp¡ = !At- 2I donde I Momento de inercia de la sección transversalde la viga. elespécimen falla. .n.'v prr" .12. á. ..2. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS LONG]TUD]NALES EN LA PROBETA . se aplica al centro de una viga simplemente apoyada de longitud 21. I = bh3/12) yo Distancia del eje neutro de la viga al punto extremo de la secciÓn transversal en el lado de tensión. produciendo una ilecha perpéndicular "y" al eje de la viga. l= l¡átl¿.5 ptoz c rO Ic F a. Cuando los esfuer¿os son más altos que la resistencia a la tensión de la roca. (Para una sección transversal circular de il. cuyos valores máximos son: De compresión (verticalmente): §-=--6P ^ De tensión (horizontalmente): rDl ox il il or= 2P nDl il il il il A pesar de que el esfuerzo de tensión inducido es menor que el de compresión. or. flexión y brasileña. o.PRUEBA eRAslueñe I il il il Los ensayes de tensión axial y brasileña permiten representar el comportamiento de la roca en las zonas de los macizos en los que se inducen esfuezos de tensión al realizar excavaciones o aplicar cargas. 2. y de tensidn.13. Los ensayes de flexión permiten representar el comportamiento de estratos que forman el techo de excavaciones subterráneas. t I ú.13. La gráfiea de la fig. Consiste en someter a compresión diametral a un espécimen cilíndrico produciéndose así esfuezos de tensión. . y de compresión o*. b) Zono de rupluro dabido o friccídn en et dreo co¡godo I ! FtcuRA 2..--r I r I I T 2. 2. aunque siempre ha sido reconocido. c.. Este efecto no ha sido entendido. el espécimen falla a lo largo deleje verticaldebido a su menor resistencia a la tensión. Los valores de la resistencia a la tensión calculados con pruebas de flexión en rocas con especimenes prismáticos o cilíndricos son mayores que los de pruebas de tensión axial.2. I il t il il il il o) Diogromos de esfuerzos de compr-esidn. PRU EBA BRASI LEÑA.3. como se indica en la fig. I r il ./r.14 muestra una comparación entre los resultados de pruebas de compresión con los de tres tipos de pruebas de tensíón axial. porqué los valores de la resistencia a la tensión obtenida de pruebas de flexión son siempre mayores que los alcanzados en pruebas de tensiÓn uniaxial. ENSAYES DE CORTE Los ensayes de corte de laboratorio pueden emplearse para determinar la resistencia al corte del material intacto y de las juntas rocosas. El módulo de elasticidad a la tensión en rocas.. es generalmente menor que el de compresiÓn. Para cierto momento flexionante aplicado.oo 3OO 4OO ó@ 600- Resislencio o b cbmpresidn. Debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia al corte obtenido en ensayes de laboratorio es igual o menor que el de ensayes de campo.9 rJ tI 3ro q I too .. en parte. evitando así esfuezos de torsión. por la influencia de las irregularidades de las juntas que son mayores que los especimenes ensayados. Ec. 2. f / I tr I f Lrrq / o .15 muestra la célula de Hoek que es una máquina de corte portátil con la cual pueden ensayarse en campo o laboratorio muestras de sondeos que contengan una discontinuidad. 2. E1. en lrglcm? I FtcuRA 2.2.40 CD u c .coMpARAclóN DE LAs REStsrENcrAS A LA TENSTóN oBTENIDAS PoR DIFERENTES MÉToDos La prueba de flexión con especimenes cilfndricos tiene la ventaja sobre las efectuadas en los prismáticos de permitir la libre rotación alrededor del eje de la viga. . La resistencia al corte es una propiedad tanto de la roca intacta como de las juntas o planos de debilidad de los macizos.'/ur. tq E N. Esto explica.14.3. Esta característica tiene importantes implicaciones en la determinación de la resistencia a la tensión en pruebas de flexión. La fig. Existen diferentes tipos de instalaciones de laboratorio para obtener la resistencia al corte de especimenes de roca._30 :9 o c c 8eo c. implica que el máximo esfuezo de tensión actuante sea menor que el que se genera cuando Er = Ec. el hecho de que el módulo de elasticidad a la tensión Er sea menor que el de compresiÓn Ec.--r . manteniendo constante la carga normal N. hasta llegar a un máximo r¡¿¡¡.16b).I5. Durante el ensaye se míden los desplazamientos vertical y horizontal de la parte superior del espéc¡men con respecto a la inferior.1. Los desplazamientos . El esfuer¿o tangencial decrece hasta un valor constante rúrr. 2.17 se presentan las gráficas esfuezo-deformación resultantes.2. La parte suaerior del espécimen posee mayor libertad para desplazarse y las deformaciones horizontales se inurementan más rápidamente. se incrementan los esfuerzos cortantes t.2. La curva I representa la relación del esfuezo con la deformación horizontal.16a) o cementándola en un molde (fig. y la curva ll con la deformación vertical del espécimen durante la prueba.16 ESPECTMENES DE ROCA PARA PRUEBAS DE CORTE DIRECTO Las pruebas de corte simple o directo se efectúan aplicando al espécimen una carga normal constante N y una carga tangencial T. DISPOSITIVO PARA EL ENSAYE DE CORTE DIREGTO DE HOEK Y BROWN. ortero .con mortoro o molerioles Élristicos I FIGURA 2.moteriol plóstico dE cemento o) Con ronúro b) De roco débil cementodo./. que representa las fuerzas de fricción entre las dos partes del espécimen. 2.3.)r/ c-. que se incrementa desde cero hasta un valor máximo.. _----*-Gato de carga normal Mortero o resina FIGUM 2.-. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA: Esta prueba consiste en provocar una falla por corte a través del material intacto en un plano seleccionado previamente o a través de un plano de debilidad preexistente. Al aumentar la carga tangencial T.. 2. En la fi1. La muestra se prepara con una ranura (fig. en el cual se fractura el espécimen y aparece una grieta horizontal. i 2 Deformocidn ho. r.AMA ESFUERZO DEFORMACIÓN PARA LA PRUEBA DE CORTE SIMPLE T ./ tt'= 2 . Figura 2.8 se presentan valores tlpicos de resistencia a la compresión simple. o 3 o l¡' Pzo L E E c a- E l: L o I I I I I I I I I r.o É o 0 o I o'5E o o t. corresponde a la resistencia de la roca al cortante.r. E f ¡. E E E Err la tabla 2. a tensión y a cc¡1ante en laboratorio.* on=3 Desplazañientos tangenoialcs (mm) 3 3 E E 123'tn FIGURA 2.17.*.-DIAGR.18.¡i4onlol. Al efectuar los ensayes de diferentes especimenes de una misma roca. FIGURA 2. El esfuezo t*5. '40 E ao o I s3O o e c o L o o . m mrn 4 ' 6 I 8 9' ' 9o t I f I I f f l I'.I horizontales aumentan enormemente y los verticales alcanzan un valor constante. variando la carga normal para cada prueba. se construye eldiagrama esfuezo cortante-esfuezo normal (plano de Mohr). . el esfuezo r6n r€pr€saflta las fuer¿as de fricción z -/'- dentro del espécimen y permite determinar el ángulo de fricción.18 CALCULO DE LOS PARÁMETROS c y $ EN ENSAYE DE CORTE DIRECTO.a. El ensayo no está indicado para rocas blandas o con anisotropía muy marcada (esquistos. ROCA Granito Diorita Dolerita Gabro Basalto Arenisca Lutita coMpREStóN TENS]óN (MpA) SIMPLE (MPA) 100-250 1 50-300 100-350 1 50-300 150-300 20-170 5-100 30-250 30-250 5-50 150-300 50-200 100-250 100-200 CORTANTE (MpA) 14-50 r 7-25 5-30 15-35 15-30 10-30 1 t T 25-60 I ¡ Caliza Dolomita 4-25 2-10 5-25 15-25 zóoo 840 3-30 I ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ CarMn Cuarcita Gneis Mármol 2-5 '10-30 't:o 20-60 --15-30 5-20 7-20 Pizar¡a 7-20 TABLA 2.--\'''' \. Carga P T.- l{'Lrjñ T I I .19) .2.8 Valores típicos de resistencia a compresión simple. El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas metálicas accionadas por una prensa portátil(f¡g.1 I.ENSAYO DE CARGA PUNTUAL (pLT) I I t I I t I t t I También denominado PLT (Point Load Test) o ensayo Franklin.).ENSAYO DE CARGA PUNTUAL (pLT) A partir de la carga de ruptura se obtiene un índice ls. pizarras.rbo-) ¿l-¡-<t..=PlD' .. Se utiliza para determinar la resistencia a compresión simple de fragmentos irregulares de roca o de testígos cilíndricos de sondeos. 2. nI .r9..tt---r '\-.I I ?//. -I -D2 P indice de carga punlual l* t I I I t I FIGURA 2. a tensión y a cortante en laboratorio. . a partir del lndice ls obtenido en el ensayo. 2.4. que puede correlacionarse con la resistencia a la compresión simple del material ensayado: I. etc.. el valor de ls corregido será de 1. como mínimo. Para un diámetro de 50 mm. de 1. La longitud de la muestra debe ser. rs {50) Diámelro de la muestra (mm) FIGURA 2.siendo P la carga de ruptura y D el diámetro de la probeta o altura de la muestra (distancia entre puntas).9 Mpa. donde el factor f varfa según el diámetro de la muestra. Ejemplo: se ensaya una muestra de 3. de 43.7 Mpa. Este valor corregido de ls será el que se introduzca en la fórmula oc = 23 ls.5 veces el diámetro. La correlación entre el índice ls y la RCS de la roca o" es: ¿"/¡ .20.20 . f = 23 Para muestras con diámetros diferentes a 50 mm es necesario corregir el valor de ls con la ayuda del ábaco de la figura 2. ensayada ¿ tt t. dando como resultado una RCS para la roca ensayada. / o" =fI .5 cm de diámetro y se obtiene un índice ls = 2.5 MN/m2 . i'/.1.. = l{*. Er se calcula mediante las ecuaciones 1 y 2 para placa flexible (fig.22). 2.b: *.1. por medio de sistemas de control de carga equivalentes compresión simple en el laboratorio.. evaluación de la necesidad de tratamiento de consolidación de la roca y evaluación de su eficacia. Una de las pruebas mas usadas es la de placa. 2.')"'\ .' I w*y * wrry"]. se emplea principalmente en : Diseño de revestimiento de túneles a presión.3. La carga máxima aplicada deberá ser del orden de 1.-PRUEBA DE PLACA Consiste en aplicar una carga a una superficie plana de la roca y medir la deformación superficial resultante..3.. cambian deformabilidad asl determinados.')''' -bi *.1.21) y las ecuaciones 3 y 4 para placa rígida (fig.5 veces la que será impuesta a la masa rocosa.PRUEBAS DE CAMPO 2.2.. etc. t I j Ecuación I (para puntos localizados sobre el eje z.'. a cierta profundidad z) t t t E. diseño de cimentaciones que estarán sometidas a cargas elevadas. Este tipo de prueba puede adaptarse para ensayes de deformación bajo carga constante (creep) a los indicados para pruebas de Procedimiento Se acostumbra hacer después de preparar la superficie de apoyo de la placa tanto en trincheras como en el interior de túneles o socavones excavados especialmente para la prueba. En túneles y socavones.I t I ¡ ¿r/¡ 2. Al variar el tamaño de la placa de carga. La carga máxima se alcanzará en el rlltimo de una serie de 3 a 5 ciclos de carga y descarga.3. cuanto mayor es el diámetro de la placa de carga mayor es la profundidad de la roca afectada por la prueba. y se llama rígida cuando la carga se trasmite a través de una placa rlgidá que únicamente admite deformaciones muy pequeñas. la prueba puede realizarse simultáneamente en las dos paredes laterales o en el techo y en el piso. I I ¡ Después de cada prueba se deberá muestrear la roca del sitio y medir la velocidad longitudinal y transversal de las ondas sísmicas para fines de correlación. El módulo de Young.PRUEBAS PARA DETERMINAR LA DEFORMABILIDAD DE MACIZOS ROCOSOS r t t t t I t t I t I I t I t ¡ El valor de la deformabilidad que se obtiene mediante ensayes de campo. ou -. también los valores del módulo de La placa se denomina flexible cuando la carga se transmite a la roca por medio de gatos Freyssinet. .. Ecuación 4 ¡- b E.) 1 I v Relación de Poisson de dicha masa az Radio exterior de la placa de carga a1 Radio interior de dicha placa 6.pl¡¡cl R¡GtDA l- f Ecuación 3 E_ = h ' pL{) 2a6 anó L 5 L ¡. PLACA FLEXIBLE t I ! f t t I F F F¡cuM 2. = PÍ -':) ..Ecuación 2 (para puntos de la superficie. -.rn-. tr t L L b L . donde: =27:!) o q(.. z = 0) t //¡-/ s. Desplazamiento de un punto localizado sobre eleje de carga a una profundidad z I I I I I T ! I delt" I Ploco decorgo T __ Perforqcidn AX con medidoiCorlsonir i I FIGURA 2.22.21. 1.3. 2. 2. Los esfuezos internos se determinan a partir de las deformaciones medidas. Los ensayes para la medición en el interior de perforaciones son todos de ejecución delicada debido principalmente a la barrenación para la liberación de esfuezos. Procedimiento Se colocan en la superficie de roca de la pared de una galerla tres medidores de desplazamientos con direcciones que forman ángulos de 60" entre sí. I donde: u. La medición de las deformaciones se hace con deformómetros colocados en la superficie de la roca..ROSETA DE DEFORMACIONES Esta prueba consiste en la medición de las deformaciones producidas al relajar de esfuerzos una porción de la masa rocosa mediante el corte con una broca muestreadora./gr a Radio de la placa 6 Desplazamiento vertical de un punto localizado sobre la placa (Ec. empleando relaciones esfuezo-deformación de la teoría de la elasticidad. aunque solo tenga unas cuantas micras de abertura.2. Si se realizan ambos.. Debe tomarse en cuenta que la cercanla de una discontinuidad. 3) o en la superficie de terreno a una distancia r del centro de la placa (Ec. Posteriormente se recorta concéntricamente la zona de la roseta con un barril muestreador a fin de producir un alivio de los esfuezos actuantes en la zona instrumentada midiendo las deformaciones producidas (fig.. constituyendo una roseta.3. 4) 2. por lo que uso está limítado a una profundidad máxima de 6 a7 m. Se prefiere el segundo porque proporciona el valor de los esfuezos sin necesidad del valor del módulo de elasticidad ni de la relación de Poisson. Estos ensayes son superficiales.1. . Estos deben ser resistentes al agua para poder soportar el agua a presión del sistema de enfriamiento de la broca. primero deberá ejecutarse el de roseta para determinar las direcciones principales y después el de gato plano normal a estas direcciones.3).2.PRUEBAS PARA DETERMINAR LOS ESFUERZOS ¡NTERNOS DE MACIZOS ROCOSOS Para la determinación de los esfuerzos internos de un macizo rocoso se recomiendan los ensayes de roseta de deformación y de gato plano. puede falsear los resultados de la medición. 2 y 3.f E¡lensdmelros eldctricos ¿ r/sr o.23.. 2.35 Superf pulido icie t ::'l i FlGURA 2. er ee y es las extensiones medidas con los extensómetros eléctricos 1.24)./3 e^-e.(er+ver) l-v' oz= - E l-v' .. E I I I I I I I I I I I I son el módulo de Young de terrninados en pruebas de laboratorio Dunde E y I I . Siendo respectivamente. respectivamente. Las deformaciones principales están dadas por: €t=OB sz=OA Las direcciones principales de deformaciones son DB y DA La magnitud de los esfuezos principales se obtiene mediante: ot= .ROSETA DE DEFORMACIONES Para determínar las deformaciones prlncipales y sus direcciones se construye el clrculo de Mohr de las deformaciones (fig. empleando las ecuaciones oc =9t-+ 9. y la relación de Poisson de la roca. !Íz a -) I I I I I I ! I I I I I I OE=et T ED=-'_a .(er+ver) . I I I . Es recomendable. Se introduce en la ranura un gato plano y se aplica una presión tal que la deformación registrada se recupere. t I I j PROCEDIMIENTO El procedimiento de ejecución de la prueba de gato plano sobre una superficie limpia y uniformizada previamente es elsiguiente (fig. C¡RCULO DE MOHR DE LAS DEFORMACIONES I t 2. por tanto. efectuar previamente una prueba de roseta de deformación con objeto de determinar las direcciones principales de esfuer¿o.il_ I I I z.. localizados en la pared de una galerla. Si el gato plano está localizado en una ranura normal a una dirección principal de esfuezo.GATO PLANO Este procedimiento consiste en medir la deformación inducida entre dos puntos de referencia.¡ t I t t I I I I I I I I I I I I FIGURA 2.2. la presión aplicada para la recuperación de la deformación inducida es igual al esfuezo principal en esa dirección.25).r/ t.3. cuando se recorta una ranura entre ellos. y realizar la prueba de gato plano normalmente en cada una de estas direcciones.2.24. 2.. Se instala el gato y se fija a la roca con un cementante de módulo de elasticidad similar al de la roca. .Se instalan los puntos de referencia.l I I I¡ I 'i I [] I I I !l I I I I AB a c aa AB I Golo plono c I I FIGURA 2. se toma como valor de p el promedio . . B-B Y C-C .I I 3. obteniéndose así la presiÓn p. A-A.Se aplica presión a la roca mediante el gato plano hasta que la deformaciÓn de descarga se recupere..Se calcula el valor del esfuerzo on que acttia perpendicular al gato plano mediante la ecuaciÓn on =P donde: c. . -d c P presión de cancelación' 2 c longitud de la ranura 2 q longitud del lato plano C cmo las presiones necesarias para anular las deformaciones en cada par de puntos de referencia n¡ coinciden necesariamente.PRUEBA DE GATO PLANO (Esfuerzos internos) ./ rt I Cemenlonle .25.Se perfora una ranura entre los puntos de referencia y se deja abierta durante tres días. se instala con una pequeña inclinación y en dirección tal que la fuerza de corte y la normal concuran al centro de la superficie ensayada para evitar momentos de giro sobre esta Superficie.I t t I I I I I t I t I I ¡ p= pe*pa+2p.-PRUEBA DE RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE (Corte Directo en Campo) Los ensayes se realizan.en bloques labrados in situ que quedan unidos al macizo por una cara (fig.3. de manera que el área gue ¡erá ensayada incluya un número de irregularidades suficiente'para que sea representativa de las de juntas existentes en los macizos.5 cm del eji de esta. aslcomo de la superficie de falla.3. etc. I I t .0 m.brado del bloque deberá realizarse con sumo cuidado para minimizar la alteración producida. El gato para producir la fuerza de corte. Se aplica un esfuezo normal que se mantiene constante y a continuaóión un esfuezo cortante que se incrementa. Se deberá efectuar una descripción detallada de la configuración de la superficie. 2. Se toman muestras de roca en la vecindad del bloque probado.26). Las dimensiones laterales del espécimen varían de 0. Las dimensiones del espécimen deben ser tan grandes como sea posible. t*r Pn Y Pa representan las presiones necesarias para anular las deformaciones registradas entre los puntos de referencia localizados a ambos lados de la ranura a 7. con fines de correlación de los resultados obtenidos en campo y en laboratorio. que es usualmente de 100 a 300 ton. 2. midiendo en varios puntos del bloque los desplazamientos longitudinales y transversales. y pc la correspondiente a los puntos de referencia a 25 cm. I I I I t I t I I t t) El la.30 a 1. fracturas. siendo limitadas por la capacidad de los gatos. tipo de roca. .Mencione cuáles Son las propiedades lndice mas importantes de las rocas' 2i... Hormigón Compatador del desplazamientcr por cizall¿1 Base de Poliesiireno expandido I I I I I F¡GURA2. 5)....26MoNTAJEGENEMLPARALAPRUEBADEcoRTEENcAMPo I 2.lndice del grado de fisuraciÓ f).t 3/rt I I I I I Colunrnas de reacciÓn I Émpafiiliado I .Encuentre una expásión para calcular el peso específico seco y el peso específico saturado de una rnuestra de roca si se conoce Su porosidad y densidad de sÓlidos...Peso especlf¡co d)..Placa de acero I " Flat jacks --.Placa de acero Bodanrientos Emparrillado inÍerior t\ I I .Permeabilidad al agua.Densidad de sÓlidos c).Alterabilidad.Explique los procedimientos para determinar en laboratorio y para muestras de roca: a).Encúentre una expresión para calcular la porosidad de una muestra de roca Si se conoce contenido de humedad y su densidad de sÓlidos' 4). alaire y sensitividad 3).6 600' 2500' 3500' 6100' .5 25. 20 % de Clorita y 20 % de Pirita.Porosidad absoluta y de fisuraciÓn b). durabilidad y grado de alteraciÓn e).4. Los valores de la porosidad a diferentes profundidades son: Porosidad ( n 33.. Empanillado suPerior -..EJERCTCIOS PROPIEDADES INDICE I 1)..Una lutita del cretácico está compuesta de 60 % de llita...4 21.1 ) (Yo) Profundidad (pies) 9.-. 50 cm F¿so de la muestra = 258. Saturado en agua su peso es de 21.Compresión simple b).Calcular la porosidad de una muestra de roca con los datos siguientes: Lectura en el porosfmetro = 50 cm3 . 40 o/o de plagioclasa y 30 % de augita. Su porosidad es del3 % y su velocidad de onda longitudinal medida en laboratorio es del 3200 m/s .Carga puntual e).Un núcleo de arenisca compuesto de granos de cuazo y feldespato con calcita tiene 82 mm de diámetro y 169 mm de largo. pesa 20...Tensión d). 12)..Diga sila muestra de roca es de alta o baja fisuración d).31 N. después de secada al horno.Coeficiente de permeabilidad alaire en cm / s c). peso específico seco y su porosidad.Que tan alterable es la muestra de roca b). Determine su peso específico seco en lb / pies y kN/m3 8).Compresión triaxial c). ym = 1.. sy/ti Calcule el esfuezo vertical a 6000 ' de profundidad en esta lutita (suponga un espesor continuo de la roca desde la superficie hasta la profundidad de 6000 ' y saturado con agua) en Mpa.Con los siguientes datos de dos pruebas de laboratorio: Prueba de durabilídad: Peso inicialseco = 500 gr Peso final seco = 320 gr Prueba de permeabilidad alaire: Altura inicialde la columna de mercurio = 29 cm Altura final de la columna de mercurio = 21 cm Diámetro de la sección transversaldeltubo = 1 " Diámetro de la sección transversalde la muestra = 130 mm Espesor de la muestra = 75 mm lntervalo de tiempo correspondiente al cambio hr -hz de la columna de mercurio = 2' 25" Encontrar: a)...Corte directo 2).8 Um3 10). el porcentaje de absorción y el grado de alteración de una muestra de roca que pesa 900 gr. 11).Con estos datos y de manera aproximada ¿se podría utílizar la muestra de roca para un túnelo para una cimentación?. Describa su estado de fisuramiento..51 cm D¡ámetro inferior = 3... Después de sumergirla en agua durante media hora su peso resultó de 945 gr...Una roca granítica está compuesta de una mezcla de 30 % de cuazo... 6)..Explique las técnicas para realizar en laboratorio los siguientes ensayes en muestras de roca (Mencione que parámetros se obtienen de cada uno): a).Determine la humedad natural..2 gr Angulo de ruptura delespécimen respecto a la horizontal= 0 = 46 " ..20 kg.42 N.50 cm Diámetro central = 3.Determine elcontenido de humedad de la roca del problema anterior alsaturarla con agua. está compuestia de una_mezcla de 70 % de cuazo y 30 % de pirita. Wm = 1. Calcule su peso específico saturado. Su peso seco es de 650 gr.Velocidad de ondas sónicas Vp y Vs f).01 cm Diámetro superior= 3.En una muestra de roca Gneiss se realizó un ensaye de compresión símple cuyos resultados son los siguientes: I I I I I r I I I r r r I r I I I I I I I I I j.. 9). PROPIEDADES MECANICAS 1).. I I I Altura = 10.Una arenisca con porosidad de 15 %.. la humedad en estado saturado. 7).. 7 I I T I 74. se obtuvieron los siguientes resultados: PRUEBA os (MPa) or (MPa) 2.4 I f I f f f Dibuje el diagrama de Mohr de las tres pruebas y calcule en él el valor del ángulo Q de la roca.aliza.2075 0.400 MPa Angulo delesfuezo resultante respecto a la horizontal = 15' t t t t t t ¡ . calcule en cada uno de los tres €sos el esfuezo cortante actuante en el plano de falla.. 4).00 9.0't25 0.0 9.0550 0.-En una serie de pruebas de compresión triaxial de una c.042s 0.1250 0.50 15.0 600 1200 I 500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Deformación Total (mm) 0..0 48.00 6.00 8.1775 o..0 24.Resistencia a la compresión simple b)..0300 t I 0.2375 0.00 5.O0 4.2600 I I I Calcular: a).1525 0.0 T a). en el instante de la falla.En una muestra de roca lutita se realizó un ensaye de corte directo cuyos resultados son los siguientes: Esfuerzo normal a la superficie de falla = 8 MPa Presión de poro en la superficie de falla = 0.Parámetros de resistencia al corte c y g (gráfica y analíticamente) c).En una serie de pruebas de compresión triaxial de una arenísca.0900 0.2 28.-Calcule los parámetros c y $ que mejor se ajusten a los datos (Gráfica y analíticamente) b).Módulo elástico tangente inicialy 50 % I T 3).-T stht Carga axial kg 0.. se obtuvieron los siguientes resultados: 1..Calcule los parámetros c y Q que podría considerarse para la elaboración de un proyecto en el que el nivel de esfuezos vaya a estar comprendido entre 12 y 15 MPa.0000 I I 0.2 16. T 5). .Roseta de deformaciones c).20 EXTENSOMETRO No.54 0.1014 0.5 cm de diámetro con 5.14 HORIZONTAL (mm) 0.5 Fueza cortante en la falla lkN) I 2 3 5..51 o..53 1.0129 0.00 0.0113 0.Se efectuaron pruebas de corte directo en laboratorio en muestras de lutita seca..0234 0.Gato plano d).95 27.85 1..A una muestra de roca de 3.Determinar la magnitud de los esfuezos principales con los datos siguientes de una prueba de roseta de deformacíones: (Mencione que parámetros se obtienen de cada uno Módulo de elasticidad = 240 000 kg lcm2 i Relación de Poisson = 0.51 1..0 Encuentre los parámetros delesfuezo cortante 7).1104 Determine los parámetros de resistencia alcorte 6). Los resultados de las pruebas se dan en la siguiente tabla Prueba No.r ESFUERzO RESULTANTE MPa DEFORMACION .O5 4 45.0000 0.0 cm de diámetro con7.0972 0.Explique las técnicas para realizar en campo los siguientes ensayes: c) b) y que aplicación tienen en el diseño de Proyectos en roca): a).Resistencia al esfuezo cortante 9).2 cm de diámetro B).38 1. Calcule la resistencia a la compresión simite de la roca: a) con 3.5 MN / m2.0151 1.35 1.24 18. Fuerza normal (kN) 9.30 .Prueba de Placa flexible y rígida b)./* 0..4 8..5 31..5 cm de diámetro se le realizó una prueba de carga puntual en la cual se obtuvo un lndice ls = 2.0576 o.0 13.58 1.50 1. Eltamaño de cada muestra fue de 50 mm x 50 mm x 20 mm. DEFORMACIONES (mm) 1. Las presiones gato prano tue cuaoáJo Jé go cm-de üoo.EC.ayerealizadoenunmacizorocoso.l I 10). I I I I I I I I I I I I I I I .El de ranura tul as cm de rado.-rá son las deformaciones en cada par de referencias cancelación necesarias para anular las siguientes: r.UNNS EN EL EXTE sr/sr.-Calcularelesfuezonormalalgatoplanoenunens. Documents Similar To Propiedades Indice y Mecanica de Las RocasSkip carouselcarousel previouscarousel nextManual Del Lab Oratorio Mecanica de Rocas _corregidoTrabajo de Mecanica de Rocas iEl Índice de Resistencia Geológica Gsi, Una Herramienta de Caracterización Para Evaluar Las Propiedades Ingenieriles de Macizos RocososPROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS Practica Martillo Schmidt.pdfPropiedades Indice de las Rocas.pdfEl Martillo de SchmidtEnsayo de Corte Directo en Rocas.pdf5. 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