DIPLOMA GEO-MINERO-METALURGIA Para Codelco
DISEÑO MINERO Ensayos en roca
Dr. Ing. Javier Vallejos Octubre 2011
Mode od elo geotécnic geotécnico o
Modelo Estructural • Estructur Estructuras as mayores mayores − Fallas − Planos de estratificación − Pliegues • Estructur Estructuras as menores menores − Juntas − Fallas menores
Modelo Geológico • Lito Litolo logí gía a • Alte Altera raci ción ón • Zonas Zonas minerali mineralizad zadas as • Esfuer Esfuerzos zos in-si in-situ tu
Modelo macizo rocoso • Roca Roca inta intact cta a • Estruc Estructur turas as • Calificació Calificación n del del macizo • Resistencia Resistencia del macizo macizo
Modelo Hidrogeológico • Unidades Unidades hidrogeoló hidrogeológicas gicas • Conductivida Conductividades des hidráulicas hidráulicas • Régime Régimen n de flujo flujo • Nivel Nivel freáti freático co • Distribució Distribución n de presión presión de de poros poros
Modelo Geotécnico Dominios geotécnicos y parámetros asociados, incluyendo: • Distribució Distribución n de materiales materiales • Anisotropí Anisotropía a estruc estructura turall • Parámetro Parámetross de resist resistencia encia • Factores Factores hidrogeológ hidrogeológicos icos (drenaje) (drenaje)
Roca oc a intacta in tacta Se define como roca intacta un volumen pequeño de roca a nivel macroscópico, el cual debe estar libre de irregularidades y discontinuidades, que influyan en la cinemática de su ruptura.
Ensa ns ayos yo s en roca roc a Ensayos índices: • Porosidad, η • Peso unitario, γ • Veloci ocidad dad ult ultrrasónicas, VP, VS
Ensayos mecánicos: • • • •
Tracción di directa, σ td Trac Tracci ción ón indi indire rect cta a (bra (brasi sile leño ño), ), σ tb Corte directo, τ = f (σ n) Compresión uniaxial − Directa: laboratorio (UCS, σ c) − Indirecta: carga puntual (IS), martillo geológico, martillo Schmidt ( R) • Resistencia triaxial ial, σ 1 = f (σ 3), E(σ 3) • Módulo ulos de de deformación ión, E y υ
Ensa ns ayos yo s en roca roc a Ensayo
Designación ASTM
Sugerencias ISRM
Preparación de muestras
D4543 - 08
ISRM (1981)
Contenido de humedad
D2216 - 10
ISRM (1981), pp. 79-89 ISRM (1979a)
Densidad, Porosidad
C97-83
ISRM (1981), pp. 79-89 ISRM (1979a)
Velocidades ultrasónicas
D2845 - 08
ISRM (1981), pp. 105-110 ISRM (1978a)
Durabilidad
D4644 - 08
ISRM (1981), pp. 92-94 ISRM (1979a)
Permeabilidad
D4525 - 08
Tracción directa
D2936 - 08 08
ISRM (1981), pp. 117-120 ISRM (1978b)
Tracción indirecta
D3967-08
ISRM (1981), pp. 120-121 ISRM (1978b)
Corte directo
D5607 - 08 08
ISRM (1981), pp. 135-137
Resistencia a la compresión uniaxial
D7012 - 10
ISRM (1981), pp. 111-114 ISRM (1979b), ISRM (1999)
Carga puntual
D5731 - 08
ISRM (1985)
Martillo Schmidt
D5873 - 05 05
ISRM (1981), pp. 101-102 ISRM (1978c)
Resistencia triaxial
D7012 - 10
ISRM (1981), pp. 123-127 ISRM (1978d), ISRM (1983)
Módulos de deformación y Poisson
D7012 - 10 10
ISRM (1981), pp. 114-116
Sistema trifásico
Porosidad, Proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida η =
volumen de vacíos V v V v = = volumen to tal V s + V v V t
) 6 8 9 1 ( z t a h c S d n a n o s p m o h T
Log porosidad
) 2 7 9 1 ( y e l i R d n a e c a r B ; ) 6 6 9 1 ( k r a l C
Peso específico, • Peso por unidad de volumen • Relacionado con la mineralogía y constitución de los granos que forman la roca γ =
W t V t
=
W s + W g + W w V s + V g + V w
Gravedad específica, G • Densidad del material de interés dividido por la densidad del agua • Medida adimensional G=
γ γ w
Valores típicos Tipo de material
Unidad
Suelos granulares (Hough, 1957)
Arena Uniforme Limo Uniforme Arena Limosa Arena Gruesa-Fina Arena micacea
Rocas sedimentarias (Rispin and Cooper, 1972)
Arenisca (Lazenby) Arenisca (Exeter) Arenisca (Staindrop) Pizarra (Widdrington) Caliza (Wolsingham) Yeso (Pitstone) Arenisca Silicea Arenisca Silicea Arenisca Silicificada Cuarcita Cuarcita (Skye) Granito (Creetown) Dolerita Pizarra (Honister)
Rocas Ígneas y Metamórficas (Rispin and Cooper, 1972)
Peso Unitario Seco, d (kPa/m)
Porosidad, (%)
13,0 – 18,5 12,6 – 18,5 13,7 – 20,0 13,4 – 21,7 11,9 – 18,9
50 - 29 52 - 29 47 - 23 49 - 17 55 - 29
22,6 21,9 22,3 28,0 27,0 18,8 24,3 23,4 26,6 26,1 26,3 26,5 28,9 27,4
13,4 15,8 14,2 3,70 0,23 24,6 3,20 5,60 0,71 2,60 0,98 0,75 0,44 0,77
Velocidades ultrasónicas • Determinación de la velocidad de ondas de compresión (VP) y de corte (VS) Transductores piezoeléctricos
• Rápido y relativamente barato • Evaluación de constantes de rigidez elásticas para pequeñas deformaciones (< 10-6) • Puede utilizarse para evaluar anisotropía
2
E S = ρ (V P ) GS = ρ (V S )2 ν S
=
1 − 2(V S V P )2 2[1 − (V S V P )2 ]
Velocidades ultrasónicas
) 9 8 9 1 ( t l u a e s s e D d n a n i l k n a r F
Material
V P (m/s)
Clays Shales Slates Sands Sandstones Coals Salt Rocks Limestones Marbles Schists Granites Basalts Water Ice Quartz Glass Steel Aluminum
1000 – 2700 1400 – 4600 3500 – 4400 200 – 2000 1400 – 4600 1100 – 2800 3500 – 5500 1700 – 6400 5000 – 6000 3500 – 7700 4000 – 6100 5000 – 6700 1460 1000 – 4000 5220 5800 – 6800 5900 – 6300 6300 - 7000
Ensayos mecánicos Ensayos de laboratorio están diseñados para replicar los modos de falla/condiciones de carga de terreno Compresión uniaxial
Tracción directa
Corte directo
Fuerza normal
Esfuerzo axial
Fuerza corte
Biaxial
Triaxial
Poliaxial-Triaxial verdadero
Esfuerzo axial
Esfuerzo lateral
) 7 9 9 1 ( n o s i r r a H d n a n o s d u H e d o d a c i f i d o m
Tracción directa Configuración natural para estimar la resistencia a la tracción T
) 0 7 9 1 ( r o l l e M d n a s e k w a H
σ a
) 1 6 9 1 ( t s r u h r i a F
=
T A
Recomendaciones ISRM (1981): • H/D 2,5 – 3,0 ≈
T
• Almacenamiento de muestras < 30 días • Rotura ocurre aprox. 5 min. de carga • Tasa de carga: 0,5 – 1,0 MPa/s (roca dura) • Al menos 5 ensayos por tipo de roca
Tracción directa • Evitado debido a: − Difícil de sujetar los bordes a la muestra − La naturaleza frágil y baja resistencia a la tracción de muchas rocas • Procedimiento relativamente costoso y laborioso • Generalmente se reemplazan por métodos indirectos (brasilero)
