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7/21/2019 3-Ensayos en roca.pdf

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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 1

DISEO MINERO

Ensayos en roca

DIPLOMA

GEO-MINERO-METALURGIA

Para Codelco

Dr. Ing. Javier VallejosOctubre 2011


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Modelo geotcnico

Modelo Geolgico Litologa

Alteracin

Zonas mineralizadas

Esfuerzos in-situ

Modelo Estructural Estructuras mayores

Fallas Planos de estratificacin

Pliegues Estructuras menores

Juntas

Fallas menores

Modelo GeotcnicoDominios geotcnicos y parmetros asociados, incluyendo:

Distribucin de materiales

Anisotropa estructural

Parmetros de resistencia

Factores hidrogeolgicos (drenaje)

Modelo Hidrogeolgico Unidades hidrogeolgicas

Conductividades hidrulicas

Rgimen de flujo Nivel fretico

Distribucin de presin de poros

Modelo macizo rocoso Roca intacta

Estructuras Calificacin del macizo

Resistencia del macizo


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Roca intacta

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


4/51Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 4

Ensayos ndices: Porosidad,

Peso unitario,

Velocidad ultrasnicas, VP, VS

Ensayos mecnicos: Traccin directa, td Traccin indirecta (brasileo), tb

Corte directo, = f(n) Compresin uniaxial

Directa: laboratorio (UCS, c)

Indirecta: carga puntual (IS), martillo geolgico, martillo Schmidt (R)

Resistencia triaxial, 1 = f(3), E(3) Mdulos de deformacin, E y

Ensayos en roca


5/51Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 5

Ensayos en rocaEnsayo Designacin ASTM Sugerencias ISRM

Preparacin 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 ultrasnicas D2845 - 08 ISRM (1981), pp. 105-110ISRM (1978a)

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

Permeabilidad D4525 - 08

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

ISRM (1978b)

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

Corte directo D5607 - 08 ISRM (1981), pp. 135-137

Resistencia a la compresin 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)

Mdulos de deformacin y Poisson D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 114-116


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Sistema trifsico


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Clark(1966);BraceandRiley(1972)

Proporcin entre la parte vaca de la roca (poros) y la parte slida

t

v

vs

v

V

V

VV

V=

+==

talvolumen to

vacosdevolumen

Porosidad,

Thomp

sonandSchatz(1986

)

Log porosidad


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Peso por unidad de volumen Relacionado con la mineraloga y constitucin de los granos que

forman la roca

wgs

wgs

t

t

VVV

WWW

V

W

++++==

Densidad del material de inters dividido por la densidad del agua

Medida adimensional

Peso especfico,

Gravedad especfica, G

w

G

=


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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 gneas yMetamrficas(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 tpicos


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Determinacin de la velocidad de ondas de compresin (VP) y decorte (VS)

Rpido y relativamente barato

Evaluacin de constantes de rigidez elsticaspara pequeas deformaciones (< 10-6)

Puede utilizarse para evaluar anisotropa

Transductores piezoelctricos

Velocidades ultrasnicas

( )2PS VE = ( )2SS VG =

( )

( )[ ]22

12

21

PS

PSS

VV

VV

=


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Material VP (m/s)

Clays

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

Franklinand

Desseault(1989)

Velocidades ultrasnicas


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Ensayos de laboratorio estn diseados para replicar losmodos de falla/condiciones de carga de terreno

modificadodeHudsonandHa

rrison(1997)

Ensayos mecnicos

Compresin uniaxial Traccin directa Corte directo

Esfuerzoaxial

Fuerza

normal

Fuerzacorte

Biaxial Poliaxial-Triaxial verdaderoTriaxial

Esfuerzo

axial

Esfuerzolateral


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Traccin directa

Configuracin natural para estimar la resistencia a la traccin

A

Ta =

Fairhurs

t(1961)

T

T

Recomendaciones ISRM (1981):

H/D 2,5 3,0 Almacenamiento de muestras < 30 das

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

HawkesandMellor(1970)


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Traccin directa

Evitado debido a: Difcil de sujetar los bordes a la muestra

La naturaleza frgil y baja resistencia a la traccin de muchasrocas

Procedimiento relativamente costoso y laborioso

Generalmente se reemplazan por mtodos indirectos (brasilero)


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Traccin directa

=====

=

xzyzxyyyxx

zz

=

=

=

3

2

1

z

xy

[ ]

=

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

3

1

1 = 31 = -3


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Traccin indirecta-Brasilero

Permite estimar la resistencia a latraccin Barato y fcil 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 Al menos 10 ensayos por tipo de roca

La falla ocurre por una fractura de

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

D

t

W


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Debido a que las placas son rgidasrelativo a la roca se asume cargapuntual (W)

El campo de esfuerzos es estimadomediante ecuaciones de laelasticidad

Traccin indirecta-Brasilero

3 =tb

En la falla:

1 = -33

3

1

1 = 31 = -3

tb

Jae

geretal.(2007)

x

y

32

==DtW

xx

1

6

==Dt

Wyy

Al centro del disco los dosesfuerzos principales son:

33=


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Traccin directa vs indirecta

Ensayo brasileo entrega valores ms altos que el de traccin directa

Causas?


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Corte directo

Permite medir la resistencia al corte de manera directa de un planode debilidad mediante la aplicacin 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

AF

AN Hn == ,

A: rea de contacto corregidapor desplazamiento de corte


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Corte directo

GonzlezdeVallejo(2002)


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Corte directo


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Corte directo

L

0,2L (min)

5 mm (min)


23/51


Corte directo

C


24/51


Corte directo

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

C t di t


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Corte directo

Ventajas:Simple y rpidoPrincipios bsicos elementales

DesventajasDistribucin de esfuerzos en la superficie de corte no es uniformeSe desconoce el estado de esfuerzos principalesSuperficie de rotura es obligada

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

R i t i l i i i l (UCS )


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Puede ser determinada de dos maneras:

Directa

- Laboratorio: ensayo de compresin uniaxial

Indirecta

- Ensayo de carga puntual- Martillo de Schmidt- Martillo geolgico

Resistencia a la compresin uniaxial (UCS, UCS)

E d i i i l


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Eje de la muestra

rea 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 +2LP

P

{ }aUCS max=

Ensayo de compresin uniaxial

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 das Rotura ocurre entre 5 10 min. de carga


Tasa de deformacin: 105 104 s-1

Al menos 5 ensayos por tipo de roca

=a&

=a&



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3

1

1 = 31 = -3

[ ]

=

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

z

x y


Esfuerzoaxial

=====

=

xzyzxyyyxx

zz

=

=

=

3

2

1



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Modulo de Poisson:

= - (r/a)

Modulo de deformacin:

E = /

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

Secante (ES): origen hasta % UCSBradyandBrown

(2005)


UCS = 104 MPa

r

PFC2D crack



30/51



DeereandMiller

(1966),GonzlezdeV

allejo(2002)



31/51



Efecto forma

DH

DH

DH

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

x100

(M

pa)



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Efecto de escala

(Hoek and Brown, 1980)

Dimetro de la probeta, D (mm)

Si D50 mm:18,0

50

50

=

=

DDD UCSUCS

[ ]mm200,10D

Ensayo de carga puntual


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P: carga al momentode la falla

De: Distancia equivalente

entre puntos de cargaal momento de la falla

2e

SDPI =


Sugerencias (ISRM, 1985):

Al menos 10 ensayos (n) por muestra, ms si lamuestra es heterognea 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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DiametralPDL 5,0>

DDe=

P

ADe

4=

WDA =

Axial

Bloque

WDW


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

Factor de correccin (Brook, 1980)

SS IFI =

50

45,0

50

= eD

F




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La resistencia a la carga puntual IS ha sido correlacionadaempricamente con la resistencia a la compresin simple (UCS)

2D

PIS=

5024 SUCS I=


Valores tpicos:UCS

,tb

, E, , af, IS 50


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Valores tpicos:UCS

,tb

, E, , af, IS 50Roca tb

(MPa)

UCS

(MPa)

E

(GPa)

falla(%)

I s(50)

(MPa)

gneas 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 0,10Fangolta 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

Metamrficas 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

Mrmol 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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Martillo Schmidt

Originalmente utilizado como ensayo no destructivo en concreto

Simple y econmico

Diversos tipos de martillos. El tipo L es recomendado por ISRM(1981) debido a su baja energa de impacto

Consiste en un pistn-resorte cargado

Cuando el martillo es presionado contra lasuperficie el vstago comprime el resorte

interno hasta el punto en que el mecanismoes gatillado, causando que el pistn sealiberado hacia el vstago impactando lasuperficie

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

(BasuandAydin,2004)

Martillo Schmidt


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DeereandMiller(1966)

El nmero de rebote ha sidocorrelacionado con UCS

Martillo Schmidt


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Valores tpicos:UCS

, IS 50, RL, martillo geolgico


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Grado UCS(MPa)

I s(50)

(MPa)

Rebote martilloSchmidt

(Type L - hammer)

Identificacin en terreno Ejemplos

R6Roca extremadamente fuerte

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

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

R5Roca muy fuerte

100-250 4-10 40-50 La muestra requiere de muchosgolpes del martillo geolgico paraser fracturada

Anfibolita, arenisca, basalto,gabro, gneis, granodiorita,caliza, mrmol, toba

R4Roca fuerte

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

Caliza, mrmol, 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 geolgico

Arcillolita, carbn, concreto,esquistos, limolita

R2Roca dbil

5-25 **


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Convencional Celda Hoek

Esfuerzo

axial

Esfuerzo

lateral

Cmara triaxial


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Recomendaciones ISRM (1981), ASTM D7012 - 10: Almacenamiento de muestras < 30 das

Rotura ocurre entre 5 15 min. de carga


La membrana debe ser lo suficientemente rgida de manera deprevenir la entrada de fluido hidrulico a la muestra

Al menos 5 confinamientos por tipo de roca en adicin a ensayo

uniaxiales La seleccin del nivel de confinamiento depende del tipo deproblema

Cmara triaxial


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Sugerencias para la seleccin de la presin de confinamiento:UCS < 100 MPa 100 Mpa < UCS < 150 MPa 150 Mpa < UCS < 200 Mpa

0,05 x UCS 0,05 x UCS 0,05 x UCS

0,10 x UCS 0,10 x UCS 0,10 x UCS0,20 x UCS 0,15 x UCS 0,15 x UCS0,30 x UCS 0,20 x UCS 0,20 x UCS

0,40 x UCS 0,30 x UCS 0,25 x UCS0,50 x UCS 0,40 x UCS 0,30 x UCS

0,35 x UCS

Al menos 5 probetas para cada presin de confinamiento

Obtener un nmero de probetas al menos un 10% mayor

Ej:

UCS = 100 MPa 33 probetas

Cmara triaxial


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[ ]

=

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

z

x y

Esfuerzoaxial

Esfuerzolateral

===

===

xzyzxy

yyxx

zz

Cmara triaxial


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3

1

1 = 31 = -3

1) Se aplica un esfuerzo istropo (a=L)2.1) Carga (TC): L = cte. , a2.2) Descarga (TD): a = cte. , L

==

=

32

1

Triaxial en compresin:

Cmara triaxial


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3 = 0 3,5 35 100 MPa

Compresin triaxialMarmol Wonbeyan (Patterson and Wong, 2005)

Tipos de falla:

(a) Frgil por clivaje vertical(b) Frgil a lo largo de un plano de corte(c) Semi-dctil segn planos de corte

conjugadas(d) Dctil

Referencias


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