04 ensayos de laboratorio en roca 2014 1

8/18/2019 04 Ensayos de Laboratorio en Roca 2014 1

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Javier Vallejos, Ph.D. – U. de Chile / Ing. de Minas MI4060 (Otoño, 2014) 1

ENSAYOS DE

LABORATORIO EN ROCA

MECANICA DE ROCAS (MI4060)


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PrecisiónSe refiere a la dispersión del conjunto de valoresobtenidos de mediciones repetidas de una magnitud.Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión.

Exactitud

se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor

medido.

Ensayos/Mediciones

Alta exactitud, pero

baja precisión

Alta precisión, pero

baja exactitud


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Roca intacta

Se define como roca intacta un volumen pequeño de roca a nivelmacroscópico, el cual debe estar libre de irregularidades ydiscontinuidades, que influyan en la cinemática de su ruptura.


4/63Javier Vallejos, Ph.D. – U. de Chile / Ing. de Minas MI4060 (Otoño, 2014) 4

• Ensayos de laboratorio permiten la identificación yclasificación del material intacto

• Parte esencial de cualquier base de datos especifica al

sitio, necesaria para el diseño• Características de resistencia y rigidez

• Potencial de degradación y durabilidad

• Útiles para la descripción cuantitativa de la roca• Utilizados en la evaluación del macizo rocoso

• Relevancia depende de la aplicación/proyecto

Ensayos en roca intacta


5/63Javier Vallejos, Ph.D. – U. de Chile / Ing. de Minas MI4060 (Otoño, 2014) 5

Ensayos índices:• Porosidad,

• Saturación, S

• Contenido de humedad, w

• Peso unitario, • Velocidad ultrasónicas, VP, VS• Durabilidad, SDI

Ensayos mecánicos:• Tracción directa, td• Tracción indirecta (brasileño), tb• Corte directo, = f ( n)

• Compresión uniaxial− Directa: laboratorio ( UCS)

− Indirecta: carga puntual (IS), martillo geológico, martillo Schmidt (R)

• Resistencia triaxial, 1 = f ( 3), E( 3)

• Módulos de deformación, E y

Ensayos en roca intacta


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Ensayos en roca intactaEnsayo Designación ASTM Sugerencias ISRM

Preparación de muestras D4543 - 08 ISRM (1981)

Contenido de humedad D2216 - 10 ISRM (1981), pp. 79-89ISRM (1979a)

Densidad, Porosidad C97-83 ISRM (1981), pp. 79-89ISRM (1979a)

Velocidades ultrasónicas D2845 - 08 ISRM (1981), pp. 105-110ISRM (1978a)

Durabilidad D4644 - 08 ISRM (1981), pp. 92-94ISRM (1979a)

Permeabilidad D4525 - 08

Tracción directa D2936 - 08 ISRM (1981), pp. 117-120

ISRM (1978b)

Tracción indirecta D3967-08 ISRM (1981), pp. 120-121ISRM (1978b)

Corte directo D5607 - 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 ISRM (1981), pp. 101-102ISRM (1978c)

Resistencia triaxial D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 123-127ISRM (1978d), ISRM (1983)

Módulos de deformación y Poisson D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 114-116


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Sistema trifásico


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C l a r k ( 1 9 6 6 ) ; B r a c e a n d R i l e y ( 1 9 7 2 )

Proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida

t

v

vs

v

V

V

V V

V

talvolumen to

vacíosdevolumen

Porosidad,

T h o m p

s o n a n d S c h a t z ( 1 9 8 6

)

T h o m p

s o n a n d S c h a t z ( 1 9 8 6

)

P r o f u n d i d a d b a j o s u p e r f i c i e ( k m )

Log porosidad


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• Peso por unidad de volumen• Relacionado con la mineralogía y constitución de los granos que

forman la roca

wgs

wgs

t

t

V V V

W W W

V

W

• Densidad del material de interés dividido por la densidad del agua

• Medida adimensional

Peso específico,

Gravedad específica, G

w

G


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S

W

W W w

sólidos pesoagua peso

100v

w

V V S

Humedad, w

Grado de saturación, S


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Tipo de material Unidad Peso Unitario

Seco, d(kPa/m)

Porosidad,

(%)

Suelos granulares(Hough, 1957)

Arena UniformeLimo UniformeArena Limosa

Arena Gruesa-FinaArena micacea

13,0 – 18,512,6 – 18,513,7 – 20,0

13,4 – 21,711,9 – 18,9

50 - 2952 - 2947 - 23

49 - 1755 - 29

Rocas sedimentarias(Rispin and Cooper,

1972)

Arenisca (Lazenby)Arenisca (Exeter)

Arenisca (Staindrop)Pizarra (Widdrington)Caliza (Wolsingham)Yeso (Pitstone)Arenisca SiliceaArenisca Silicea

22,621,9

22,328,027,018,824,323,4

13,415,8

14,23,700,2324,63,205,60

Rocas Ígneas yMetamórficas(Rispin and Cooper,1972)

Arenisca SilicificadaCuarcitaCuarcita (Skye)Granito (Creetown)DoleritaPizarra (Honister)

26,626,126,326,528,927,4

0,712,600,980,750,440,77

Valores típicos


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• Determinación de la velocidad de ondas de compresión (VP) y decorte (VS)

• Rápido y relativamente barato

• Evaluación de constantes de rigidez elásticaspara pequeñas deformaciones (< 10-6)

• Puede utilizarse para evaluar anisotropía

Transductores piezoeléctricos

Velocidades ultrasónicas

2PS V E 2

S S V G

22

12

21

PS

PS S

V V

V V


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Material V P (m/s)

Arcillas

ShalesSlatesSands

SandstonesCoals

Salt RocksLimestones

MarblesSchists

GranitesBasaltsWater

IceQuartzGlassSteel

Aluminum

1000 – 2700

1400 – 46003500 – 4400200 – 2000

1400 – 46001100 – 28003500 – 55001700 – 6400

5000 – 60003500 – 77004000 – 61005000 – 6700

14601000 – 4000

52205800 – 68005900 – 63006300 - 7000

F r a n k l i n a n d

D e s s e a u l t ( 1 9 8 9 )

Velocidades ultrasónicas


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• Mide la tendencia de los componentes de la roca adegradarse, al exponerse al aire, agua, tiempo, etc.

• Es un concepto más aplicable a rocas blandas

• Fragmentos de roca de peso conocido son colocados en untambor giratorio (ASTM D 4644)

• Los materiales son sometidos a ciclos húmedos y secos

• Posterior al cicleo se pesan nuevamente los fragmentosresultantes para determinar el Slake Durability Index (SDI)

• La roca desintegrada durante el ensayo puede ser

caracterizada utilizando métodos de clasificación de suelos(limite liquido, plástico, granulometría, etc.)

Durabilidad


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Durabilidad

Detalles ensayo:• Tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo

• Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura

• 500 grs de roca en 10 piezas• El tambor gira a 20 rpm durante 10 minutos en un baño de

agua

• Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor


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Ensayos de laboratorio están diseñados para replicar losmodos de falla/condiciones de carga de terreno

m o d i f i c a d o d e H u d s o n a n d H a r r i s o n ( 1 9 9 7 )

Ensayos mecánicos

Compresión uniaxial Tracción directa Corte directo

Esfuerzoaxial

Fuerza

normal

Fuerzacorte

Biaxial Poliaxial-Triaxial verdaderoTriaxial

Esfuerzo

axial

Esfuerzolateral


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Preparación de testigos

Extracción de testigoa partir de colpa

Corte con sierra de diamante

Rectificado


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Preparación de testigos

Requisitos de forma• Diámetro, D

• Esbeltez, H/D

ASTM ISRM

D ≥ 10dTGMD ≥ 48 mm (sondaje NQ)

D ≥ 10dTGMD ≥ 54 mm (sondaje NX)

dTGM: tamaño grano máximo

Tracción directa, compresiónuniaxial, triaxial, módulos

ASTM ISRM

2,0 – 2,5 2,5 – 3,0

H

D

Brasilero

ASTM ISRM

1,0 0,5 – 1,0


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Tracción directa

Configuración natural para estimar la resistencia a la tracción

A

T a

F a i r h u r s t ( 1 9 6 1 )

T

T

Recomendaciones ISRM (1981):

• H/D ≈ 2,5 – 3,0• 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

H a w k e s a n d M

e l l o r ( 1 9 7 0 )


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Tracción directa

• Evitado debido a:− Difícil de sujetar los bordes a la muestra

− La naturaleza frágil y baja resistencia a la tracción de muchasrocas

• Procedimiento relativamente costoso y laborioso

• Generalmente se reemplazan por métodos indirectos (brasilero)


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Tracción directa

0 , xz yz xy yy xxa zz

a 321 ,0 ,0

z

xy

zz yz xz

yz yy xy

xz xy xx

3

1

1 = 31 = -3

td


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Tracción indirecta-Brasilero

• Permite estimar la resistencia a latracción• Barato y fácil de realizar

Sugerencias ISRM (1981)

• Envolver al disco con tape grueso (0,2-0,4 mm) demanera de reducir concentraciones de esfuerzos

• Rotura entre 15-30 seg. de carga


• La falla ocurre por una fractura de

extensión a lo largo de un planodiametral paralelo al eje del cilindro

D

t

W


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• Debido a que las placas sonrígidas relativo a la roca seasume carga puntual (W)

• El campo de esfuerzos esestimado medianteecuaciones de la elasticidad

Tracción indirecta-Brasilero

3 tb

• En la falla:

1 = -33

3

1

1 = 31 = -3

tb

J a e

g e r e t a l . ( 2 0 0 7 )

x

y

32

Dt W

xx

1

6

Dt

W yy

• Al centro del disco los dosesfuerzos principales son:

33

T ió di t i di t


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Tracción directa vs indirecta

Ensayo brasileño entrega valores más altos que el de tracción directa

Causas?

C t di t


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Corte directo

• Permite medir la resistencia al corte de manera directa de un planode debilidad mediante la aplicación de un esfuerzo normal (n)constante y un esfuerzo de corte ()

Sugerencias ISRM (1981)

• Tasa de desplazamiento de cortePre-peak: 0,1-0,5 mm/min

Post-peak: 0,02-0,2 mm/min

• Al menos 5 ensayos por tipo deroca/discontinuidad a esfuerzos normales distintos

A

F

A

N H

n ,

A: área de contacto corregidapor desplazamiento de corte

C t di t


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Corte directo

G o n z á l e

z d e V a l l e j o ( 2 0 0 2 )

C t di t


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Corte directo

Corte directo


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Corte directo

L

0,2L (min)

5 mm (min)

Corte directo


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Corte directo

Corte directo


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Corte directo

Usualmente testigos de roca intacta presentan una resistencia muy altapara ser ensayados en maquinas de corte directo convencionales

Corte directo


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Corte directo

Ventajas:• Simple y rápido• Principios básicos elementales

Desventajas• Distribución de esfuerzos en la superficie de corte no es uniforme• Se desconoce el estado de esfuerzos principales• Superficie de rotura es impuesta

• El área de contacto del plano de corte disminuye a medida que seproduce el desplazamiento horizontal

Resistencia a la compresión uniaxial ( )


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Puede ser determinada de dos maneras:

• Directa

- Laboratorio: ensayo de compresión uniaxial

• Indirecta

- Ensayo de carga puntual- Martillo de Schmidt- Martillo geológico

Resistencia a la compresión uniaxial ( UCS)

Ensayo de compresión uniaxial


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Eje de la muestra

Área de carga

Estado de esfuerzos en laparte central de la muestra:

a=P/ A = 4P/(D2) L=0

Deformaciones:

a = H/H L = D/D

V = a +2 LP

P

aUCS max


Recomendaciones ISRM (1981), ASTM D7012 - 10:

• No se permite el uso de materiales en la interfaz roca-maquina o tratamientos distintos al rectificado

• Almacenamiento de muestras < 30 días• Rotura ocurre entre 5 – 10 min. de carga


• Tasa de deformación: 10 –5 – 10 –4 s-1


a

a



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3

1

1 = 31 = -3

zz yz xz

yz yy xy

xz xy xx

z

x y

0 , xz yz xy yy xxa zz

0 , 321 a


UCS

Esfuerzoaxial



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• Modulo de Poisson:

= - (r /a)

• Modulo de deformación:E = /

Tangente (Et): en un % de UCSPromedio (Eav): porción lineal

Secante (ES): origen hasta % UCS

B r a d y a n d B r o w n ( 2 0 0 5 )


H u d s o n a n d H a r r i s o

n ( 1 9 9 7 )

Modulotangente

Modulosecante

UCS = 104 MPa

r



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D e e r e a n d M i l l e r

( 1 9 6 6 ) , G o n z á l e z d e V a l l e j o ( 2 0 0 2 )



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Efecto forma

D H

D H

D H

UCS

UCS

24,088,02

Si H/D es menor a 2 (ASTM 2938 - 86)

Hawkes and Mellor (1970)

1 = Westerly Granite (Mogi, 1966)

2 = Dunham Dolomite (Mogi, 1966)

3 = Muzo Trachyte (Mogi, 1966)

4 = Pennant Sandstone (Hobbs, 1964)

5 = Kirkby Silstone (Hobbs, 1964)

6 = Ormonde Sandstone (Hobbs, 1964)7 = Darley Dale Sandstone (Chakravarty, 1963)

8 = Berea Sandstone (Mellor, unpublished)

9 = Saturated Granite (Mellor, unpublished)

H/D

x 1 0 0

( M

p a )

R e s i s t e n c i a c o m p r e s i ó n

u n i a x i a l ( l b f / i n 2 )



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sayo de co p es ó u a a

Efecto de escala

(Hoek and Brown, 1980)

R e s i s t e

n c i a u n i a x i a l d e l a

m u e s t r a d e d i á m e

t r o D

( m m )

R e s i s t e

n c i a u n i a x i a l d e l a

m u e s t r a d e d i á m e

t r o 5 0 m m

Diámetro de la probeta, D (mm)

Si D≠50 mm:18,0

50

50

D D D UCS UCS

mm200,10 D



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y p

Modos de falla

S z w e d z i c k i ( 2 0 0 7 )

Dependiendo de la orientación de las discontinuidades pre-existentes y de la distribución de esfuerzos la falla es promovida enextensión, corte o una combinación de corte/extensión

Falla a lo largo de un plano en la dirección de compresión. No ocurre

muy seguido y sugiere una muestra relativamente libre dediscontinuidades microscópicas.

Extensión simple

Extensión múltiple

Dos o más fracturas a los largo del eje mayor de la muestra, con fracturasperpendiculares a esa dirección.



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y p

S z w e d z i c k i (

2 0 0 7 ) Corte múltiple

Corte simple

El fracturamiento ocurre a lo largo de dos o mas planos no paralelossituados de manera oblicua a la dirección de carga.

Uno o más planos de corte mayores situadas oblicuamente a la dirección

de carga. Usualmente asociado a una discontinuidad.

Desintegración de la muestra a lo largo de un numero de planos envarios ángulos. Usualmente dinámico y violento con gran cantidad deenergía disipada.

Fracturamiento múltiple

Modos de falla



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y p

Extensiónsimple

Corte

simple

S z w e d z i c k i ( 2 0 0 7 )

Modos de falla



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S z w e d z i c k i a n d S h a m u ( 1 9 9 9 )Modo de falla UCS/

tb

Extensión 20

Fracturamientomúltiple

15

Corte múltiple 10

Corte simple 6 S z w e d z i c k i

( 2 0 0 7 )

tb : Resistencia a la tracción definidapor el ensayo brasilero

Modos de falla

Ensayo de carga puntual


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P: carga al momentode la falla

De: Distancia equivalenteentre puntos de cargaal momento de la falla

2e

S D

P I

Sugerencias (ISRM, 1985):

• Al menos 10 ensayos (n) por muestra, más si lamuestra es heterogénea o anisotropica

• Rotura ocurre entre 10-60 seg. de carga

• Para calcular IS 50 promedio:

Si n>10 descartar los dos mayores y menores

Si n


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DiametralP D L 5,0

D De

P

A De

4

WD A

Axial

Bloque

W DW 3,0

W DW

3,0

D L 5,0 P

Trozo irregular

W DW 3,0

2)( 21 W W W

D L 5,0

A De

4

WD A

A De

4

WD A

( I S R M , 1 9

8 5 )



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El Is debe ser corregido a un diámetro equivalente de 50 mm:

Gráficamente (ISRM, 1985)

MPa2,72500

10001850

S I

Factor de corrección (Brook, 1980)

S S I F I 50

45,0

50

e

DF



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La resistencia a la carga puntual IS

ha sido correlacionadaempíricamente con la resistencia a la compresión simple (UCS)

2 D

P I S

5024 S UCS I



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K a h r a m

a n e t a l . ( 2 0 0 5 )



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Ensayos válidos

Ensayos no válidos

( I S R M , 1 9

8 5 )

Modos de falla

Valores típicos:UCS, tb, E, , af , IS 50


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Roca tb(MPa)

UCS

(MPa)E

(GPa)

falla(%)

I s(50)

(MPa)

Ígneas Granito 7 – 25 100 – 300 30 – 70 0,17 0,25 5 – 15

Dolerita 7 – 30 100 – 350 30 – 100 0,10 – 0,20 0,30

Gabro 7 – 30 150 – 250 40 – 100 0,20 – 0,35 0,30 6 – 15

Riolita 5 – 10 80 – 160 10 – 50 0,20 – 0,40

Andesita 5 – 15 100 – 300 10 – 70 0,20 10 – 15

Basalto 10 – 30 100 – 350 40 – 80 0,10 – 0,20 0,35 9 – 15

Sedimentarias Conglomerado 3 – 10 30 – 230 10 – 90 0,10 – 0,15 0,16

Arenisca 4 – 25 20 – 170 15 – 50 0,14 0,20 1 – 8

Lutita 2 – 10 5 – 100 5 – 30 0,10

Fangolíta 5 – 30 10 – 100 5 – 70 0,15 0,15 0,1 – 6

Dolomita 6 – 15 20 – 120 30 – 70 0,15 0,17

Caliza 6 – 25 30 – 250 20 – 70 0,30 3 – 7

Metamórficas Gneiss 7 – 20 100 – 250 30 – 80 0,24 0,12 5 – 15

Esquisto 4 – 10 70 – 150 5 – 260 0,15 – 0,25 5 – 10Filita 6 – 20 5 – 150 10 – 85 0,26

Pizarra 7 – 20 50 – 180 20 – 90 0,20 – 0,30 0,35 1 – 9

Mármol 7 – 20 50 – 200 30 – 70 0,15 – 0,30 0,40 4 – 12

Cuarcita 5 – 20 150 – 300 50 – 90 0,17 0,20 5 – 15

Martillo Schmidt


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• Originalmente utilizado como ensayo no destructivo en concreto

• Simple y económico• Diversos tipos de martillos. El tipo L es recomendado por ISRM

(1981) debido a su baja energía de impacto

• Consiste en un pistón-resorte cargado

• Cuando el martillo es presionado contra lasuperficie el vástago comprime el resorte

interno hasta el punto en que el mecanismoes gatillado, causando que el pistón sealiberado hacia el vástago impactando lasuperficie

• Mide el rebote del pistón (Schmidt hardnessnumber, R) en la superficie de la roca y esconsiderado como un índice de dureza dela superficie

( B a s

u a n d A y d i n , 2 0 0 4 )

Martillo Schmidt


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D e e r e a n d M i l l e r ( 1 9

6 6 )

• El número de rebote ha sidocorrelacionado con UCS

Martillo Schmidt


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• No válido para rocas débiles (UCS < 20 MPa, Shorey et al., 1984)• Alta dispersión en terreno. Causas:

− Influencia de discontinuidades

− Alteración

− Calibración

• Reducción de datos:

− ISRM (1981): Promediar el 50% superior de al menos 20

mediciones− ASTM (2001): Realizar al menos 10 medidas, eliminando

aquellas que difieren del promedio por mas de 7 unidades ypromediar las resultantes

− En ambos estándares, las mediciones deben ser separadas almenos un diámetro de vástago

Valores típicos:UCS, IS(50), RL, martillo geológico


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Grado UCS

(MPa)

I s(50)

(MPa)

Rebote martillo

Schmidt(Type L - hammer)

Identificación en terreno Ejemplos

R6Roca extremadamente fuerte

>250 >10 50-60 La muestra solo puede serastillada con el martillo geológico

Basalto fresco, granito,diabase, diabase, gneis,cuarcita

R5

Roca muy fuerte

100-250 4-10 40-50 La muestra requiere de muchos

golpes del martillo geológico paraser fracturada

Anfibolita, arenisca, basalto,

gabro, gneis, granodiorita,caliza, mármol, toba

R4Roca fuerte

50-100 2-4 30-40 La muestra requiere más de ungolpe del martillo geológico paraser fracturada

Caliza, mármol, filitas,arenisca, esquistos

R3Roca medianamente fuerte

25-50 1-2 15-30 No puede ser escarbada odisgregada por una cortaplumas,la muestra se fractura con un sologolpe firme del martillo geológico

Arcillolita, carbón, concreto,esquistos, limolita

R2Roca débil

5-25 **


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Convencional Celda Hoek

Cámara triaxial


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Recomendaciones ISRM (1981), ASTM D7012 - 10:

• Almacenamiento de muestras < 30 días

• Rotura ocurre entre 5 – 15 min. de carga


• La membrana debe ser lo suficientemente rígida de manera deprevenir la entrada de fluido hidráulico a la muestra

• Al menos 5 confinamientos por tipo de roca en adición a ensayo

uniaxiales• La selección del nivel de confinamiento depende del tipo deproblema

Cámara triaxial


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Sugerencias para la selección de la presión de confinamiento:

UCS < 100 MPa 100 Mpa


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zz yz xz

yz yy xy

xz xy xx

0 , , xz yz xy L yy xxa zz z

x y

Esfuerzoaxial

Esfuerzo

lateral

Cámara triaxial


58/63


TD

1

1

3

3

1

1 = 31 = -3

Se aplica un esfuerzo isótropo ( a= L)1.1) CTC: L = cte. , a ↑1.2) CTD: a = cte. , L ↓

L

a

32

1

3

TC

1

1) Compresión:

a

L

3

21

3

1

2) Extensión:

Se aplica un esfuerzo isótropo ( a= L)2.1) ETC: a = cte. , L ↑2.2) ETD: L = cte. , a ↓

Cámara triaxial


59/63


m zz yz xz

yzm yy xy

xz xym xx

m

m

m

zz yz xz

yz yy xy

xz xy xx

0000

00

DeviatóricoHidrostático

331 I zz yy xx

m

zz yz xz

yz yy xy

xz xy xx

1er Invariante de esfuerzos

Cámara triaxial


60/63


devz,

devy,

devx,

σ00

0σ0

00σ

00

00

00

m

m

m

• m = 1/3 ( a+2 L)

• z,dev = 2/3 ( a- L)

• x,dev = x,dev = 1/3( L- a)

¿Por qué hacer esta distinción?

• Esfuerzos hidrostático producen cambios volumétricos• Esfuerzos deviatóricos producen distorsión

Sugerencias para ensayos de lab en roca


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• Identificación clara de muestras y testigos→ Roca – Sondaje/metraje – Sector – Año – Número probeta→ Roca – Colpa – Sector – Año – Número probeta

• Evitar pérdidas de humedad

• Prevenir daño físico a las muestras

• Consultar registros de terreno durante la obtención demuestras

• Documentación fotográfica de testigos→ Modo de falla

• Cuidadosa alineación de ejes

• Guardar trozos de roca posterior a ensayos

• Goodman, R.E. (1989). Introduction to rock mechanics. Second edition. John Wiley & Sons.

Referencias


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