Download - Propiedades Ingenieriles de Rocas
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Propiedades Ingenieriles de Materiales Rocosos
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Propiedades Importantes
ResistenciaParmetros elsticos (relaciones stress/strain)TexturaPorosidadPermeabilidadDensidad*
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Procesos geolgicos que afectan las propiedades mecnicas
Ambiente de depositacin: Tamao de grano, seleccin, estratificacin, etc. Diagnesis, grado de cementacinHistorial de stressesGrado de compactacinPosibles anisotropasMetamorfismoMagmatismo, cristalizacinMeteorizacin*
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Resistencia del material rocoso.
La resistencia de una muestra de roca intacta depende de la resistencia de los minerales que la componen y de la manera en que ellos estn unidos -ya sea por cristalizacin o cementacin. La resistencia de una roca sedimentaria depende de manera importante del cemento y del arreglo de las partculas.*
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Influyen en la resistencia:
Tamao del granoRedondeamiento del granoEsfericidad del granoContactos entre granosCementacinTipo de cementoGrado de cementacinHistoria de Stress y presiones de confinamiento (especialmente en limolitas, lutitas, arcillolitas).*
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Tipos de Resistencia en Roca Intacta
Al cizalle.A la traccin.A la compresin simple (carga uniaxial).*
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Resistencia al Cizalle
Para roca intacta, se suele usar el modelo de Mohr-Coulomb para resistencia al cizalle, con sus parmetros: Cohesion (aparente): Interseccin de la envolvente de fractura en eje Y (normalmente en MPa para rocas, mientras para suelos en kPa).Angulo de Friccin: Pendiente de la envolvente de fractura.*
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Criterio Mohr-Coulomb
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Resistencia a la Traccin
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Resistencia a la Compresin Simple
Es igual a la resistencia mxima en el eje axial en un ensayo uniaxial (no confinado).s1 en falla = UCS (uniaxial compression strength).s2= s3=0*
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Relaciones esfuerzo-deformacin
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Ensayos de Resistencia
En estados de compresin triaxial, uniaxial o de traccin.Deben simularse niveles de stresses in situ. Preparacin de la muestra puede influir notablemente en los resultados.*
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Todos los ensayos usan fuerzas compresivas.
Traccin
Uniaxial
(No confinado)
Triaxial
*
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Ensayos Uniaxiales
Condiciones no confinadas, s2=s3=0Largo/Ancho debe ser 2.5 a 3.0:1 para evitar efectos de borde. Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del grano.Resistencia a la Compresin Uniaxial: UCS
(Compresin Simple)*
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Ensayos Triaxiales
Usualmente en estado biaxial (s2=s3)Razn Largo/ancho 2.0 a 2.5:1 para evitar efectos de bordeExtremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas. Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del grano.*
- Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del
grano.
Ensayo en Condiciones de Tensin (Test Brasileo)
Otra forma de ensayo uniaxial, s2=s3=0Dimetro: largo debe ser aprox. 1:1Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.*
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Influencia de
Tamao del
Grano*
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Tabla 4.11 .- Parmetros asociados a la resistencia de las rocas. (Modificado de Waltham,1994).
Roca
Densidad Seca
Porosidad
UCS media
UCS saturada
Mdulo de Elastici-dad
Resisten-cia a la traccin
Resistencia al cizalle*1
ngulo
de
friccin
t/m3
%
MPa
MPa
GPa
MPa
MPa
(
Granito
Basalto
2.7
2.9
1
2
200
250
75
90
15
15
35
40
55
50
Grauwaca
Arenisca (Cb)*
Arenisca (Tr)**
2.6
2.2
1.9
3
12
25
180
70
20
160
50
10
60
30
4
15
5
1
30
15
4
45
45
40
Caliza (Cb)*
Caliza (Jr)***
2.6
2.3
3
15
100
25
90
15
60
15
10
2
30
5
35
35
Limolita (Cb)
Lutita (Cb)
2.3
2.3
10
15
40
20
20
5
10
2
1
0.5
30
25
Carbn
Yeso
Sal
1.4
2.2
2.1
10
5
5
30
25
12
10
20
5
2
1
30
Mrmol
Gneiss
Esquisto
Pizarra
2.6
2.7
2.7
2.7
1
1
3
1
100
150
60
90
60
45
20
30
10
10
2
10
32
30
35
30
25
25
*Cb=carbonfera **Tr=trisica ***Jr=jursica
*1 Resistencia al cizalle directo, no confinado.
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Evolucin de fracturamiento
Etapa 1: Desarrollo de strain elstico
Etapa 2: Microfracturamiento, strain no recuperable.
Etapa 3: Fracturamiento coalesce y se forma un plano discreto de fractura.
Etapa 4: Cizallamiento
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Fracturamiento se puede detectar por emisiones acsticas, las que se elevan al cizallar.
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Las emisiones acsticas han permitido detectar las etapas de fracturamiento en los ensayos de compresin.
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La fbrica de la roca, puede tener una gran influencia en la resistencia de materiales rocosos.
Ej: efecto del clivaje en una pizarra.
Los materiales geolgicos suelen ser anisotrpicos y heterogneos!!
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Es posible estimar la resistencia de la roca en terreno.
Ensayo de carga puntual se puede hacer en terreno y laboratorio.
Clasificacin de
Brown (1981)
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Tabla 4.12 .- Descripcin y estimacin de la resistencia en terreno. (Modificado de Waltham,1994).
Descripcin roca
UCS(Mpa)
Caractersticas
Roca muy resistente
>200
Rebote del martillo
Roca resistente
100-200
Se rompe con un golpe firme de martillo
Roca moderadamente resistente
50-100
Se marca con el martillo
Roca moderadamente blanda
10-50
No se rompe con la mano
Roca blanda
1.5-10
Se rompe con un elemento punzante
Roca muy blanda
0.6-1.5
Se rompe con la mano
Suelo muy firme
0.3-0.6
Se marca con la ua
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Ensayo de carga puntual: El stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, segn el dimetro de la muestra.
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Relacin Resistencia a la Carga Puntual/ resistencia a la compresin simple
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Efectos del Agua:
Presiones de poros reducen el stress efectivo, se reducen los contactos entre granos y la resistencia friccional. Induce procesos de meteorizacin.*
- Efecto de presiones de agua en una caliza.
s3= 69 MPa
A mayor presin de poros,baja la resistencia y el comportamiento es ms frgil.*
- Otro parmetro que es funcin de las propiedades elsticas es la
velocidad de ondas ssmicas (velocidad snica o Vp, y Vs).
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Relaciones Esfuerzo-Deformacin y Constantes Elsticas
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Deformacin
La deformabilidad de la roca intacta se expresa en trminos de la relacin entre stress y strain en compresin uniaxial.Curva tpica, deformacin frgil
*
- Sin embargo, las rocas se deforman de manera diferente segn sus
caractersticas geolgicas.
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Elasticidad: Mdulo de Deformacin o de Young
*
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El mdulo de Young se ve afectado por:
- grado de cementacin
- tamao y forma del grano
(L: largo de contacto, D: tamao del grano)*
- Tambin hay relaciones entre E y la porosidad de la roca.
*
- Algunas rocas, especialmente sales y carbonatos a alto s3,
muestran un comportamiento dctil.
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Razn de Poisson
Un segundo parmetro elstico, mide la razn entre el strain lateral y el strain axial.Axial Strain
Lateral Strain
*
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Mdulo de Cizalle
Igualmente que para esfuerzos normales se define el mdulo de Young, para esfuerzos de corte se tiene el mdulo de cizalle G:Donde t es el esfuerzo de corte en un plano, y g el strain de cizalle en ese plano. El mdulo de cizalle se relaciona con los otros mdulos elsticos:
*
- E y G dan cuenta de la rigidez (stiffness) de la roca. Para
rocas istropas, hay un nico valor de E, G y n que la caracterizan.
Si la roca no es isotrpica, hay varios valores de E, G y n, y en
anlisis stress-strain pasa a ser un anlisis tensorial.
*
-
*
f
s
t
tan
+
=
c
Tabla
4.11 .- Parmetros asociados a la resistencia de las rocas.
(Modificado de
Waltham
,1994).
Roca
Densidad
Seca
Porosidad
UCS
media
UCS
satura
da
Mdulo
de
Elastici-
dad
Resisten-
cia a la
traccin
Resistencia
al cizalle*
1
ngulo
de
friccin
t/m
3
%
MPa
MPa
GPa
MPa
MPa
f
Granito
Basalto
2.7
2.9
1
2
200
250
75
90
15
15
35
40
55
50
Grauwaca
Arenisca (
Cb)*
Arenisca (
Tr)**
2.6
2.2
1.9
3
12
25
180
70
20
160
50
10
60
30
4
15
5
1
30
15
4
45
45
40
Caliza (
Cb)*
Caliza (
Jr)***
2.6
2.3
3
15
100
25
90
15
60
15
10
2
30
5
35
35
Limolita (
Cb)
Lutita (
Cb)
2.3
2.3
10
15
40
20
20
5
10
2
1
0.5
30
25
Carbn
Yeso
Sal
1.4
2.2
2.1
10
5
5
30
25
12
10
20
5
2
1
30
Mrmol
Gneiss
Esquisto
Pizarra
2.6
2.7
2.7
2.7
1
1
3
1
100
150
60
90
60
45
20
30
10
10
2
10
32
30
35
30
25
25
*
Cb=carbonfera **
Tr=trisica ***
Jr=jursica
*
1
Resistencia al cizalle directo, no confinado.
Tabla
4.12 .- Descripcin y estimacin de la resistencia en terreno.
(Modificado de
Waltham
,1994).
Descripcin roca
UCS(
Mpa)
Caractersticas
Roca muy resistente
>200
Rebote del martillo
Roca resistente
100-200
Se rompe con un golpe
firme de martillo
Roca moderadamente
resistente
50-100
Se marca con el martillo
Roca moderadamente
blanda
10-50
No se rompe con la
mano
Roca blanda
1.5-10
Se rompe con un
elemento punzante
Roca muy blanda
0.6-1.5
Se rompe con la mano
Suelo muy firme
0.3-0.6
Se marca con la ua
z
x
e
e
n
-
=
g
t
=
G
)
1
(
2
u
+
=
E
G
property
Rock type
Unit weight
(kNm
-3
)
Porosity
(%)
Mean Particle
diameter (mm)
UCS
(MPa)
Westerly
Granite
26.5
0.9
0.85
281
Rutland
Quartzite
26.4
0.5
0.30
505
Marble
26.9
1.3
0.20
50
Colorado
Rhylite Tuff
17.7
41.0
0.01
91
Pottsville
Sandstone
25.4
3.0
0.20
230
San Marcos
Gabbro
29.7
0.2
1.00
215
Axial Strain
Axial Stress
Gradient = Young's modulus
Peak Strength
UCS
Residual Strength