LABORATORIO GEOMECÁNICA
Informe
Juan José Monsalve
[email protected].o Ca!al"na #ane$as %ala"o
[email protected].o '"omara Avenda(o %res"$a '
[email protected].o
Geome)n"a
%rofesor* ÁlvaroJes+s Cas!ro
,e-a de en!re$a* /010213
4NI#ER5I6A6 NACIONAL 6E COLOMBIA ,AC4LTA ,AC4LTA6 6E MINA5 M INA5 5E6E ME6ELLIN
217
. EN5A8 EN5A8O 6E CORTE CORTE 6IRECT 6IRECTO O
Ima$en . Corte directo. Elaboración propia En la norma ASTM D5607 se establecen los requerimientos y procedimientos que se deben seguir para realiar el ensayo de corte directo en rocas! Esta norma no solo sir"e para identi#icar la resistencia a la cortante de rocas $omog%neas& sino que tambi%n sir"e para determinar las propiedades de los planos de debilidad pueden estar presentes en di#erentes di#erentes tipos de rocas tales como esquistosid esquistosidades& ades& #oliación& diaclasas& entre otras! 'nicamente se podr( medir la resistencia de una discontinuidad por muestra! Este e)perimento arro*a relaciones entre el es#uero cortante y las de#ormaciones tangenciales y el es#uero cortante y el es#uero normal!+,.ara la realiación de este e)perimento se necesita una ca*a de corte para roca! Este aparato est( dise/ado para ensayar muestras con dimensiones de $asta ,,5 ) ,5 mm& o testigos de m()imo ,0mm de di(metro! Esta ca*a de corte est( compuesta por dos mitades1 la parte in#erior est( conectada a un pistón el cual e*erce la carga normal y la parte superior est( conectada a dos pistones& que son los que e*ercen la acción de corte en la muestra! Adem(s& se colocan dispositi"os de medida de desplaamiento& los cuales estiman el desplaamiento tangencial!+-
Ima$en 2.Corte directo! Elaboración propia El procedimiento que se sigue para la realiación del ensayo es la siguiente+-2 ,3 Se selecciona el plano a analiar y se prepara la muestra de tal manera que tenga un tama/o apropiado para que quepa en el molde y en la ca*a de corte! El plano que se desea probar debe coincidir con el plano de corte! 3 4a probeta es moldeada en $ormigón o mortero1 cuando $a #raguado se lle"a la muestra a la ca*a de corte! .osteriormente& se aplica una ligera carga para garantiar que no se den mo"imientos y colocar en ceros los lectores de desplaamientos! 3 Se incrementa la carga normal $asta el "alor en el cual se quiere $acer el ensayo& esta carga deber( mantenerse constante durante toda la prueba! 3 Despu%s de $aber alcanado la carga normal deseada se comiena a aumentar el "alor de la carga tangencial $asta que la muestra #alle& pudiendo obtener as el "alor de la resistencia de corte pico! En la pr(ctica de laboratorio la carga tangencial se incrementó cada ,00psi! 53 Se realia el e)perimento las "eces que sea necesario "ariando la carga normal! Seg8n la norma lo recomendado es realiar el e)perimento mnimo "eces!
Gr)f"a Car$a !an$en"al vs. 6es&la9am"en!o !an$en"al : da!os la;ora!or"o<
Carga Tangencial vs. Desplazamiento Tangencial 1200
1000
800
600
400
200
0 0
1
2
3
4
5
6
7
Graf"a . Cur"a con datos e)perimentales! Elaboración propia Graf"as on da!os de Moodle.
3.5 3 2.5 2 M1
1.5
M2
M3
1 0.5 0 0
2
4
6
8
10
12
Graf"a 2! Cur"a con datos de Moodle! Elaboración .ropia
14
Esfuerzo cizallante Vs. Esfuerzo normal 3.5 3 f(x) = 0.33x + 2.05
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Graf"a =. 9esistencia al corte! Elaboración propia De esta gr(#ica se puede concluir que los par(metros c y : de la roca& toman los siguientes "alores!
Res"s!en"a al or!e 9;c
?@n
9;&05<0&,,? @n
In!ere&!o de o-es">n C
C;&05 M.a
An$ulo de fr"">n :
:; arctan=0!,,>; ,!B
Ta;la . Datos obtenidos del criterio M3C! Elaboración propia
Ta;la 2! alores tpicos de C y :! Tomado de +Seg8n la tabla podemos deducir que posiblemente la muestra era una 4utita!
! EN5A8O 6E ME6ICION 6E #ELOCI6A6 6E ON6A5 %#&
Ima$en = ? 3. Medición de p! Elaboración propia Este ensayo no destructi"o se realia para calcular la "elocidad de propagación p de las ondas compresibas que atra"iesan una muestra de roca! Esta "elocidad se utilia como indice de clasi#icacion e indicati"o de la calidad de la roca& correlacionandose con la resistencia a la compresion simple @ c !+4a densidad y las propiedades el(sticas del material son las caractersticas de las rocas que pueden in#luir en el "alor de la "elocidad de las ondas p& adem(s este
"alor aporta in#ormación sobre algunas caractersticas como la porosidad!+El equipo que se utilia para este ensayo es un .9CE. el cual emite una onda ultrasonido a tra"%s del esp%cimen! Como dato inicial se le introduce la longitud de la muestra y este toma el tiempo que se demora la onda en atra"esar la muestra desde la cara emisora $asta la cara receptora para calcular la "elocidad! Este equipo se calibra con un material est(ndar del cual se conoce el tiempo en el que la onda lo atra"iesa de 5! microsegundos! A continuación se presentan algunos "alores de la "elocidad de propagación de las ondas el(sticas de compresión p
Ta;la =.alores de propagación de las ondas longitudinales en rocas! Tomado de +-!
En el laboratorio se obtu"o un "alor de
2771.33
m s
lo que indica que es
posiblemente una 4utita!
=. EN5A8O 6E CARGA %4NT4AL ASTM D57,35 Determinar el ndice de resistencia a carga puntual de la roca!+Este ensayo se realia con el #in de determinar la resistencia a la compresión simple de #ragmentos irregulares de roca& testigos cilndricos de sonda*es o bloques& a partir del ndice de resistencia a la carga puntual =Fs>& de tal #orma que el stress aplicado se con"ierte a "alores apro)imados de GCS& seg8n el di(metro de la muestra+5-! Equipos2 HCTS
roctest
Ima$en 7 ? . Equipos carga puntual tomado de +%roed"m"en!o* El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas met(licas accionadas por una prensa+5-! •
Fdenti#icar las muestras y medir sus dimensiones
•
•
•
• •
Dependiendo del tipo de muestra situar el testigo entre las puntas cónicas de la maquina resguardando que se cumplan las con#iguraciones de carga y requerimientos de #orma del testigo! Se cubre con una bolsa resistente la maquina con el #in de al #allar la roca no caigan al suelo o da/en ob*etos! Gna de las personas se encarga de medir la presión a la que est( siendo sometida la muestra mediante un manómetro que est( conectado de #orma directa a la prensa $idr(ulica! tra persona se encarga de ir aumentando de #orma paulatina la presión Apenas se retire el testigo se analia la #orma de ruptura de la roca!
Ejem&los*
Ima$en /! Con#iguración de carga y requerimientos en la #orma de los testigos =a> muestradiametral& =b> muestra a)ial& =c> bloque y =d> muestra irregular! 4 ; largo& I ; anc$o& D ; di(metro&y De ; di(metro del n8cleo equi"alente! Tomado de +-!
Ima$en .Modos tpicos de #alla para muestras "alidas e in"alidas =a> muestras diametrales "alidas1=b> muestras a)iales "alidas1 =c> bloques "alidos1 =d> muestras in"(lidas! Tomado de +-! •
• •
Son recomendables al menos , especmenes con dimensiones entre 0 y 5 mm y una relación AlturaJDi(metro !5 K 4JD L Es un ensayo r(pido no necesita preparación de la muestra Este ensayo no sir"e para rocas blandas
C)lulos* Datos de la pr(ctica! @9uptura 50psi;55&7 .a; 5570 .a Diametro 5&,mm; 0!05,m 4ongitud ,&mm Nrea del pistón &pulg;,!5cm;,!5),03m Ta;la 3. Datos de la pr(ctica! Elaboración propia El ndice de carga puntual se calcula mediante la siguiente e)presión2
P
Fs;
De
2
Donde& .2 la #uera necesaria para romper la muestra! Se calcula multiplicando el "alor medido en la maquina por el (rea del pistón −3
P=( 3585270 Pa )∗(1.45 x 10
2
m
)=5204,15 N
De2 Di(metro equi"alente de la probeta! En el ensayo se usó una muestra diametral por lo que se reemplaa directamente el di(metro de esta! Si la muestra $ubiera sido irregular este di(metro equi"alente se podra calcular mediante la siguiente e)presión2 De
2
=
4 π
WD
Donde ID es el (rea de la sección trans"ersal De; 1.17/m 5204 ,15 N
Is D (0 . 05981m )2 =1454796.34 Pa
(
−6
10 MPa 1 Pa
)=
1.45 MPa
Ta;la 7. Clasi#icación de la resistencia seg8n Fs! Elaboración propia El "alor de la resistencia a la compresión unia)ial a partir del Fs=50> es el siguiente2
UCS =23∗ Is( 50)
Fs=50>2 El "alor de Fs cuando el di(metro es de 50mm Cuando se tiene un Fs corregido a un di(metro distinto de 50 mm& como en este caso& la relación entre GCS e Fs es distinta y se muestra en la siguiente tabla
Ta;la . alor de la constante c para encontrar la resistencia en t%rminos de Fs! Tomado de +El "alor de C para el di(metro utiliado en el ensayo ser( !5 ya que el di(metro es 5!, mm UCS =24.5∗ Is =24.5∗1.45 =35.64 MPa
Ta;la . Clasi#icación de las rocas seg8n la resistencia! Tomado de +Seg8n lo anterior& es posible que la muestra sea un esquisto o una piarra!
3. EN5A8O 6E TRACCIN IN6IRECTA O EN5A8O BRA5ILERO
Con el #in de determinar la res"s!en"a a la !ra">n un"aF"al indirectamente de una muestra de roca& se someten probetas en #orma de disco a una #uera compresi"a diametralmente& lo que genera un plano diametral donde se crean es#ueros de tracción que originan la ruptura! 4a preparación de las muestras no requiere un cuidado particular ni necesita t%cnicas costosas y se puede adaptar cualquier prensa para dic$o ensayo +5-! Se deben ensayar especmenes cortados con di#erentes (ngulos respecto a los planos de simetra o rotar la muestra para "ariar el (ngulo del plano con el e*e de carga con el #in de conocer su grado de an"so!ro&a !ransversal& de esta manera analiar y comprender su comportamiento y su desempe/o! El di(metro de la muestra deber( ser al menos ,0 "eces mayor que el grano m(s grande del mineral constituyente! Se emplean discos de roca desde el di(metro de 7 mm seg8n la norma ASTM D67 o 5 mm seg8n las recomendaciones de la FS9M& donde la relación 4JD puede "ariar entre 0& a 0&75 =la FS9M recomienda una relación cercana a 0&51 mientras que la norma ASTM sugiere una relación de 0& a 0&5> +6-! Se $acen por lo menos die muestras para obtener un "alor signi#icati"o y representati"o& pero si la di#erencia entre los "alores obtenidos es de 5O& se puede reducir el n8mero de muestras y su resultado es aceptable! Se debe tener cuidado con el contenido de $umedad& ya que este in#luye en los resultados& por lo cual se busca preser"ar las condiciones de $umedad $asta el momento del ensayo1 de este modo& el "alor del contenido de $umedad se determina luego del ensayo +5-! Comportamientos que se presentan en la etapa de pre3ruptura2 • • • •
Cierre de micro #isuras =.or compresión> De#ormación el(stica de los granos de minerales! .ropagación estable de micro #isuras en dirección al es#uero principal .ropagación inestable de micro #isuras que se con"ierten al #inal en una macro #isura& que es la ruptura #inal!
El ensayo brasilero se $ace con placas circulares con el ob*eto de cumplir con la $ipótesis que los es#ueros de tracción se generan en el centro de la muestra! Este ensayo pro"ee una buena estimación de la resistencia a tracción solo en materiales que obedecen al modelo de Hri##it$ y para cargas distribuidas +,-! Aparte de la determinación de la resistencia a la tracción del material rocoso a partir del ensayo de tracción indirecta& se propusieron las siguientes ecuaciones para estimar el m>dulo el)s!"o ? de %o"sson! .ara ello& es necesario pegar una
roseta& de dos elementos orientados a 0 P& a cada cara de la muestra en el centro de la misma& con el ob*eto de medir las de#ormaciones radiales en el sentido "ertical =Qry> y las de#ormaciones tangenciales =Q Ry>!
Como los es#ueros y las de#ormaciones "aran a lo largo de la muestra es necesario usar peque/as galgas e)tensom%tricas si se quieren e"itar e)cesi"os errores! 4a longitud de cada galga e)tensom%trica no puede ser mayor que 0&07 "eces el di(metro de la muestra& para tener una e)actitud del 5O! Si es necesario se coloca una galga e)tensom%trica #uera del centro de la muestra& cuando estas galgas no est(n sobrepuestas& es pre#erible desplaar la galga que mide la de#ormación radial a lo largo del di(metro "ertical& debido a que la de#ormación radial es m(s constante que la de#ormación tangencial en el centro +,-! En lo que se re#iere a este ensayo& se usa en la actualidad el ndice de de#ormación del ensayo brasilero =DF2 railianDe#ormationalFnde)& FD>& que se obtiene a partir de las lecturas durante el ensayo de una galga e)tensom%trica al centro de la muestra en sentido perpendicular al plano de rotura! El DF es la relación del es#uero a tracción con la de#ormación en la parte lineal de esta cur"a! Se encontró por e*emplo que es m(s #actible encontrar una relación del DF con el grado de meteoriación de una muestra +,-!
%roed"m"en!o Antes de colocar la probeta en la m(quina de ensayo se dibu*a& en cada cara& una lnea que marque un di(metro del mismo plano a)ial! Se traan las generatrices que unen los e)tremos correspondientes a los di(metros marcados! Estas generatrices corresponden al plano de rotura +7-! Se mide la probeta en todas sus direcciones con precisión de , mm +7-! Se elimina el posible e)ceso de $umedad de la super#icie y se coloca la probeta en el dispositi"o de ensayo con la generatri traada sobre una banda de #ibras prensadas de ,0 mm de anc$o& mm de espesor y una longitud superior a la de la probeta +7-! Despu%s se sit8a& sobre la generatri superior opuesta otra banda id%ntica a la descrita y sobre %sta una barra de sección rectangular mnima de 50 mm de
anc$ura y de espesor igual o superior a la mitad de la di#erencia entre la longitud de la probeta y la mayor dimensión del plato de la prensa +7-! Se sit8a el dispositi"o centrado en los platos de prensa& se apro)iman los platos para poder #i*ar la posición del con*unto& sin aplicación de carga! A continuación& con un incremento de presión constante de entre y 6 MpaJs& se procede a la rotura de la probeta& anot(ndose la carga total u obtenida! Gna "e rota la probeta& se obser"a el aspecto del $ormigón y se anota cualquier anomala que se detecte +7-! El resultado se e)presa en Mpa =JmmU> con apro)imación de 0&05 +6-! 4a resistencia a la tracción indirecta se calcula mediante la #órmula siguiente2
Dónde2 . #uera de compresión m()ima 4& D espesor y di(metro del disco de roca! El "alor medio de resistencia a la tracción indirecta de los di#erentes tipos de roca oscila entre y , M.a+-! Seg8n los datos obtenidos en el laboratorio .;,00lb# ; 5!7 Di(metro D =mm> , 60&56 60&6 Espesor 4 =mm> 60&5 , ,&6 Di(metro 60& &0 promedio &0 Ta;la / ? . Espesor &0, promedio σ t =
2
(
4845.27 N
π 0.02201 m∗0.06049 m
)
Datos obtenidos en el laboratorio
=2316833.43 Pa
(
1 MPa 6
10 Pa
)
=2.32 MPa
7. EN5A8O 6E COM%RE5IN 4NIA'IAL Este ensayo sir"e para determinar la resistencia a compresión unia)ial de una probeta cilndrica de roca con una altura entre el doble y el triple del di(metro1 Es un ensayo para la clasi#icación de la roca por su resistencia! 4a relación entre los es#ueros aplicados en el ensayo es2 @,Vo y @& @ ; 0 En este ensayo se deben cumplir las siguientes condiciones2 W 9aón 4argoJAnc$o de la probeta debe ser !5 a !02, W E)tremos deben ser paralelos y pulidos& sin grietas! W Anc$o de muestra debe ser L,0 "eces el tama/o medio del grano El ensayo consiste en irle aplicando de #orma gradual un #uera a)ial a un cilindro de roca& $asta llegar a producir una ruptura1 los datos que se "an a obtener son @, obtenido del ensayo& @& @! Con estos datos se puede obtener @c =resistencia a la compresión simple>! +-
EHu"&o Dispositi"o de carga Elementos de contacto Asiento es#erico
Ima$en 1. .rensa tomado de +,,-
[1 «Propiedades extr!se"as de #as ro"as$% 2010. ] [2 &. 'o!()#e( *a##e+o$ «&a,oratorio 1- esiste!"ia / Par)etros esiste!tes%. ]
%roed"m"en!o ,! Concebir una idea general de la roca en cuanto a su litologa y estructuras! +,0! Fdenti#icar las muestras! +,0! Medir las dimensiones de la muestra para "er si satis#ace las condiciones del ensayo! +,0! Se recubre la muestra con una bolsa cuyo #in ser( el de e"itar que al momento de #allar la roca no salten #ragmentos y da/en a personas u ob*etos de alrededor! +,05! Se sit8a el testigo de tal #orma que el pistón de la m(quina quede paralelo a las caras Trans"ersales de la muestra! +,06! Gna persona se encarga de medir la presión a la cual est( siendo sometida la Muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa $idr(ulica& la .resión debe ser medida a cada instante ya que al momento de #allar& la agu*a que Fndica el "alor de la carga "uel"e al punto de partida! +,07! Gna segunda persona ser( la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa $idr(ulica! +,0! Gna "e #alle el testigo se retira y se analian las condiciones y modo de ruptura! +,0-
#alores de res"s!en"a a la om&res"on ? E
Ta;la . alores de la resitencia a la compresion tomado de
. EN5A8O 6E COM%RE5IN TRIA'IAL El ensayo de compresión tria)ial es qui(s uno de los ensayos m(s importantes en la mec(nica de rocas& debido a que es la prueba de laboratorio que m(s simula el comportamiento in situ de las muestras! A pesar de que este ensayo es llamado tria)ial& en realidad lo que se realia es un ensayo bi3a)ial donde @ ,L@;@!4a norma que rige el desarrollo de esta pr(ctica es la ASTM D66+,,-!
Ima$en . C%lulas de XoeY para ensayos tria)iales! Tomado de+Este ensayo se realia en muestras de roca similares a las que se utilian en el ensayo de compresión simple& contenidas en una membrana de goma& la cual se introduce en una c%lula tria)ial conocida como c%lula de XooYe para ensayos tria)iales& la cual se somete a una presión isotrópica que se mantiene constante durante todo el ensayo! Fnicialmente la carga a)ial y la presión con#inante se aplican simult(neamente& $asta que la se alcana la presión con#inante requerida& luego se incrementa la carga a)ial $asta que la probeta #alla! Cabe resaltar que durante el ensayo la magnitud del con#inamiento no puede "ariar+-! Del ensayo se deben registrar datos como el es#uero a)ial @ ,& la de#ormación a)ial& el (ngulo del plano de #ractura y si es el casi el (ngulo que #orman los planos de anisotropa con respecto a la dirección de la carga a)ial de estos datos se obtiene in#ormación como2
elocidad de es#uero en #unción de la de#ormación a)ial y radial! Es#uero m()imo de rotura! Módulo de Zoung tangente y secante medido en la cur"a de es#uero3 de#ormación a)ial! .roporción entre la de#ormación radial y la de#ormación a)ial para obtener el módulo de .oisson! Es#uero m()imo con respecto a la presión de la c%lula para de#inir la en"ol"ente de rotura y las propiedades correspondientes =co$esión y #ricción>!
4os gr(#icos que se obtienen de este ensayo son2
Graf"a 2 = ? 3. Cur"as que se obtienen del ensayo tria)ial! Tomados de +. MARTILLO 6E 5CMI6T .rincipio de #uncionamiento y procedimiento de utiliación del Martillo Sc$midt =esclerómetro> seg8n la norma ASTM D57305+,-! Fnicialmente #ue creado para estimar la resistencia a compresión simple del concreto& este se $a modi#icado con"enientemente dando lugar a "arios modelos1 el ensayo consiste en medir la resistencia al rebote de la super#icie de la roca ensayada+-! Esclerómetro consiste en un peque/o aparato met(lico de geometra cilndrica que dispone de un muelle en su interior y de un punta retr(ctil& la cual& al ser presionada contra la roca $ace que el muelle se dispare! .ara la realiación del ensayo& en primer lugar& se limpia la ona a ensayar& que debe estar libre de #isuras o grietas& eliminando la p(tina de roca meteoriada! A continuación se aplica el martillo& presionando $asta que salta el muelle1 el aparato debe colocarse perpendicular al plano de ensayo Su uso es muy #recuente dada la mane*abilidad del aparato& pudiendo aplicarse sobre roca matri y sobre las discontinuidades =resistencia de los labios>+-!
Ima$en 7. Martillo de Sc$midt! Tomado de +4a prueba del martillo Sc$midt act8a como un precursor para determinar si t8 concreto est( listo para la carga adicional& tal como en la construcción de los cimientos& o si tienes problemas en la calidad del concreto en (reas espec#icas de tu construcción!
T"&os de mar!"llo* ormalmente se utilian dos tipos de martillos el tipo 4 con una energa de impacto de 0!75 !m y el tipo con una energa de impacto de !07 !m! 4os rebotes medidos con estos martillos se denotan con los smbolos 9 4 y 9 &
respecti"amente1 ambos martillos dan buenos resultados para "alores de compresión simple de la roca o la discontinuidad ensayada dentro del rango 03 ,50 M.a+,-!
Fmagen ,7y ,! .artes del martillo de Sc$midt2 Tomados de +•
•
El martillo Sc$midt es usado para realiar ensayos no destructi"os en materiales como el concreto o roca! El m%todo no destructi"o de rebote te o#rece la capacidad de saber si la resistencia del concreto es "ariable o constante a lo largo de tu proyecto de construcción!
Bibliografía [1 «Propiedades extr!se"as de #as ro"as$% 2010. ] [2 &. 'o!()#e( *a##e+o$ «&a,oratorio 1- esiste!"ia / Par)etros esiste!tes%. ]
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4! Honales de alle*o& M! \errer& 4! rtu/o& and C! teo& Ingeniería Geológica& .rentice X! Madrid& 00!
+-
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+,0- 4! Hon(le alle*o& [4aboratorio ,2 9esistencia Z .ar(metros 9esistentes!] +,,- ASTM Fnternational& [ASTM D66 3 5a Standard Test Met$od #or Tria)ial Compressi"e Strengt$ o# Gndrained 9ocY Core Specimens Iit$out .ore .ressure Measurements&] ,5! ! +,- ASTM Fnternational& [ASTM D57 3 , Standard Test Met$od #or Determination o# 9ocY Xardness by 9ebound Xammer Met$od&] 0,! !
