PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS.
ALVARO CASTRO CAICEDO.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE MEDELLÍN. 1
PROPIEDADES PROPIED ADES BÁSICAS DE LAS ROCAS Y SU DETERMINACIÓN Propiedades Propiedades de Mineralogía identificación y clasificación Fábrica y textura Tamaño de grano Color Porosidad Peso unitario o específico Humedad Permeabilidad Durabilidad Alterabilidad Propiedades mecánicas Resistencia a la compresión RCU=UCS=
Método de determinación determinación Descripción visual Microscopio óptico y electrónico Difracción Rayos X Técnicas de laboratorio laborator io
Ensayo de permeabilidad Ensayos de alterabilidad simple, Ensayo de compresión uniaxial. Ensayos de Carga puntual y Martillo Schmidt
Resistencia a tracción
Ensayo de tracción directa Ensayo de tracción indirecta.
Velocidad de ondas sónicas Vp, Vs
Medición de laboratorio
Resistencia (c, )
Ensayo de compresión triaxial. Ensayo de corte directo
ondas
elásticas
en
Deformabilidad, módulos elásticos Ensayo compresión un uniaxial. estáticos o dinámicos, E Young, Young, Poisson. En sayo de velocidad sónica sónica
De: González de Vallejo, Ingeniería Geológica.
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PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS Según Goodman, (1980) y considerando su comportamiento mecánico, las rocas se pueden agrupar en: Rocas cristalinas, p. ej. granito, basalto, gneis, caliza, mármol, etc. Rocas clásticas, p. ej. Areniscas con varios cementos. Rocas de grano muy fino, p. ej. arcillolitas, limolitas, margas, etc Rocas orgánicas p. ej. Lignito, hulla, antracita, pizarras bituminosas, etc.
O R T S A C O R A V L A
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PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS ROCAS DENSIDAD La densidad natural o húmeda es la relación entre la masa de una muestra de roca en su estado natural, con un cierto contenido de humedad, y el volumen que ocupa:
=
= =
Cuando la muestra se ha secado previamente en un horno a 110°C por 24 horas, su densidad se denomina seca:
=
=
1+ = = =volumen seco
O R T S A C O R A V L A
w= Humedad Densidad sumergida= −
= ,
1 3
=1
3
= 9,81 /3
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El volumen natural o seco de una muestra es la suma del volumen que ocupan las partículas solidas más el de los poros, por este motivo se habla de la densidad de los sólidos (granos o cristales) de la roca, que está relacionado con su mineralogía. Para determinarla es necesario moler una determinada masa de roca y medir con picnómetro el volumen ocupado por las partículas.
=
= í = = í
O R T S A C O R A V L A
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PESO UNITARIO: =
( ∗ )
El rango de variabilidad del peso específico de las rocas es mucho mayor que el de los suelos.
HUMEDAD: Relación en porcentaje entre el peso de agua contenida en la roca que se evapora a 110°C y el peso de la muestra seca:
=
.100
= = o En suelos: humedad w= Ww/Ws x 100%
O R T S A C O R A V L A
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POROSIDAD: Volumen de poros expresado en tanto por ciento del volumen total.
=
Vv= Volumen de poros V= Volumen total.
En suelos: Relación de vacíos
.100
e = Vv/Vs
GRADO DE SATURACION: Es el porcentaje de poros ocupado por el agua .
=
O R T S A C O R A V L A
.100
Vw= Volumen ocupado por el agua. Vv=Volumen de poros. Roca seca S=0; saturada S=100.
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VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE ONDAS DE ULTRASONIDO La velocidad de ondas de compresión Vp y de cizalla Vs informa sobre la porosidad, microfracturación y alteración de la matriz policristalina. Estas velocidades pueden ser anosotrópicas. Si no existieran poros la propagación de ondas se pudiera considerar elástica, en este caso la velocidad de propagación por compresión s:
=
1−
ρ (1 + µ)(1 − 2µ)
E= Módulo elástico de la roca µ= Módulo de Poisson de la roca ρ=Densidad de la roca
O R T S A C O R A V L A
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Clasificación Sociedad Internacional Mecánica de Rocas ISRM Resistencia (MPa)
Clasificación
Mayor de 250
Extremadamente alta
100 a 250
Muy alta
50 a 100
Alta
25 a 50
Media
5 a 25
Baja
1a5
Muy baja
0.25 a 1
Extremadamente baja
O R T S A C O R A V L A
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O R T S A C O R A V L A
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Permite obtener la resistencia a compresión simple de la roca de manera sencilla pero indirecta. Se realiza situando un trozo o testigo de roca entre dos puntas cónicas rompiendo la roca a tracción.
Para testigos
I s c
P
(carga última)
Para fragmentos
P (N)
A
2
D·L (mm )
2
D 24· I s (MPa)
T 500 c
R (área de la O T S sección cargada) A C
P
211.5· 0.75 A 12.5·T 500 (MPa)
O R A V L A
I s = índice de resistencia bajo carga puntual
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T 500 = Índice de carga puntual
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12 ENSAYO DE CARGA PUNTUAL EN
O R T S A C O R A V L A
ENSAYO DE CARGA PUNTUAL EN PRENSA FRANKLIN
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FRAGMENTOS OBTENIDOS EN ENSAYO DE CARGA PUNTUAL EN PRENSA FRANKLIN
O R T S A C O R A V L A
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ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA Con este ensayo se obtiene el valor de la resistencia a tracción de las probetas previamente preparadas sometiendo un disco de roca de longitud aproximadamente igual a su radio a una compresión diametral, de forma que la muestra se rompe a lo largo de dicho diámetro como consecuencia de las tensiones de tracción que se generan en dirección perpendicular al mismo. O R T S A C O R A V L A
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ENSAYO PARA EL CÁLCULO INDIRECTO DE LA RESISTENCIA A TRACCIÓN DE LA ROCA
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17 DETALLES ENSAYO DE TRACCIÓN O BRASILEÑO
Haciendo un estudio de la distribución de tensiones en un disco al que se aplica una carga diametral, se demuestra que a lo largo del diámetro se genera una tensión horizontal uniforme cuyo valor es:
t
2· P
·d ·t
Donde:
O R T S A C O R A V L A
P: fuerza ejercida sobre el disco en el momento de rotura d: diámetro del disco t: espesor del disco o altura del cilindro.
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La durabilidad de la roca se obtiene mediante un ensayo en el que se determina la resistencia de la roca a la alteración y desintegración al someterla a dos ciclos sucesivos de inmersión en agua y secado.
Se toman 10 trozos representativos de roca, cuyo peso debe estar comprendido entre 40 y 60 gr hasta O R T totalizar 450 a 550 gr. El tamaño máximo de grano en los trozos seleccionados no debe exceder de 3 mm. S A C O R A V L A
Se pesa la muestra, se introduce en el cilindro y se seca (2-6 h.) en la estufa a 150º y a continuación se obtiene el peso A del cilindro con la muestra en su interior. Después de esperar cierto tiempo hasta que se enfríe el cilindro, éste se introduce en la cubeta y se vierte en ella agua a 20ºC. Se hace girar el cilindro un total de 200 revoluciones durante 10 minutos. Acto seguido se extrae el cilindro de la cubeta, se seca a 105ºC y se determina el peso B del cilindro y de los trozos de roca. Se repite el proceso de introducción del cilindro en la cubeta, se somete a un giro de 200 revoluciones, se seca y se pesa de nuevo, obteniéndose el valor C. 19 Por último, se vacía el cilindro, se limpia bien y se obtiene su peso D.
ENSAYO DE DURABILIDAD SLAKE El resultado del ensayo se expresa mediante el “índice de durabilidad”, que es la relación entre el peso final y el peso inicial de la muestra expresado en porcentaje. Índice de durabiliad
Id 2
100 (C - D)/(A - D)
Conviene aumentar el número de ciclos de ensayo a más de dos en aquellas rocas cuyo índice de durabilidad sea elevado. O R T S A C O R A V L A
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La siguiente escala de durabilidad ha sido propuesta por Gamble, 1971:
Valor de Id 2(%)
Clasificación
8-30
Muy baja
3-60
Baja
60-85
Media
85-95
Media alta
95-98
Alta
98-100
Muy alta
O R T S A C O R A V L A
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ENSAYOS DE HINCHAMIENTO Varios métodos son posibles, ISRM propone tres: 1. Medida de la presión axial de hinchamiento a volumen constante. 2. Medida de la deformación axial de hinchamiento en una muestra de roca confinada lateralmente y sometida a cargas axiales constantes. O 3. Medida de la deformación de hinchamiento libre en dirección R T S A C axial y radial O R A V L A
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ENSAYO DE DENSIDAD
roca
P seco
P
seco
P sumergido
agua
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ENSAYO TILT TEST
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Determinación del ángulo básico de fricción sobre núcleos de roca.
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ENSAYO DE PERFORABILIDAD SIEVER SJ
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BIBLIOGRAFÍA
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Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas, Métodos sugeridos. Correa de la Cruz, A. Caracterización de rocas, ensayos de laboratorio. Universidad Nacional de Colombia, Sociedad Colombiana de Geotecnia. 2000. Goodman. R. Introduction to rock mechanics.
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