LABORATORIO DE MECANICA DE ROCASEscuela de Ingeniería de Minas

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

ObjetivoEl ensayo determina el Índice de Resistencia Is (50) en testigos de roca que requieren de poca preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares.

Uso Se utiliza en la clasificación de materiales rocosos. También para estimar otros parámetros de esfuerzo como por ejemplo: Tracción uniaxial o compresión uniaxial.

EquipoEl equipo utilizado es la versión portátil que consta de:- Sistema de carga- Lector de carga- Lector de distancia

Sistema de cargaMarco de carga- El marco de carga está diseñado y construido de manera que por la aplicación

repetida de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxiales con una desviación máxima de 0.2 mm.

- Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de testigos de roca con diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15 a 100 mm.

Figura 1: Puntas cónicas

Dos puntas cónicas - Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existan

problemas de deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular sean ensayados.

- Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindro hidráulico.

- Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60° y el radio de la esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialmente. (Figura 1)

Cilindro hidráulicoEl cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica manual a través del cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra.

Lector de cargaDos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máxima de falla.

Lector de distanciaUn sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra la distancia entre los puntos de contacto de las puntas cónicas con el testigo.

Calibración El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de carga certificada y un juego de bloques para chequear que las lecturas de P y D estén dentro de los rangos previamente establecidos para este ensayo.

Selección de muestras- Los testigos pueden tener las siguientes formas:

(a) Testigos cilíndricos de roca (ensayo axial o diametral)(b) Bloques cortados (ensayo de bloques)(c) Pedazos irregulares (ensayos de pedazos irregulares)

- Una muestra está definida por un grupo de testigos de similares características geológicas y mecánicas para el cual se determinara un solo valor de índice de resistencia Is (50).

- La muestra debe contener suficientes testigos con las medidas y formas requeridas para el ensayo diametral, axial, de bloques o de pedazos irregulares.

Procedimiento

Ensayo diametral (figura 2a)a) Los testigos de forma cilíndrica apropiados para este ensayo son los que tienen

relación longitud/ diámetro mayor que 1.b) Deben ser por lo menos 10 testigos por muestra y más si la muestra es

heterogénea o anisotrópica.c) El testigo es colocado en la máquina de ensayo y las puntas cónicas deben juntarse

hasta hacer contacto con un diámetro del testigo, asegurando que la distancia L

entre el punto de contacto y la base libre más cercana sea 0.5 veces el diámetro D o mayor.

d) Si la muestra es de material blando de manera que se produzca una significativa penetración de las puntas en el momento de la falla, debe registrarse esta distancia como D.

e) La distancia D es registrada con aproximación al mm.f) La carga es aplicada bombeando en forma constante de manera que la falla ocurra

dentro de los 10 o 60 segundos de iniciada la carga. g) Se anota la carga de ruptura P.h) Si la superficie de falla pasa solo a través de un punto de carga, el ensayo no será

considerado válido.i) El procedimiento será repetido para el resto de los testigos de la muestra.

Figura 2a – Ensayo diametral

Ensayo axial (figura 2b)a) Las testigos cilíndricos utilizados en este ensayo deben cumplir con la relación

longitud/diámetro de 0.3 a 1.b) Las piezas de los testigos que han sido utilizadas en los ensayos diametrales y que

cumplen con la condición a) pueden ser usados en el ensayo axial.Se repiten los pasos b), c), d), e), f), g), h), i) del procedimiento para el ensayo diametral.

Figura 2b – Ensayo axial

Ensayo de bloques y pedazos irregulares (figura 2c y 2d) a) En este ensayo se utilizan bloques de roca o pedazos irregulares de dimensiones

entre 15 a 85 mm y de las formas mostradas en la figura. La relación D/W debe ser entre 0.3 y 1.0, preferiblemente cercano a 1.0.

b) La distancia L deberá ser de por lo menos 0.5 W. Las muestras de este tamaño y forma serán seleccionadas si están disponibles o deberán ser preparadas, obteniéndolas de piezas grandes.

c) El testigo es colocado en la máquina de ensayos y las puntas cónicas se ajustarán hasta hacer contacto con la menor dimensión del bloque o pedazo.

d) Se harán por lo menos 10 ensayos por muestra y más si son heterogéneas o anisotrópicas.

e) La distancia D entre los puntos de contacto del testigo con las platinas es tomada con aproximación a 0.1 mm. El ancho W perpendicular a la dirección de carga es anotado con una aproximación al mm. Si los lados no son paralelos entonces W es calculado como (W1 + W2) / 2.

f) La carga debe ser aplicada constantemente de manera que la falla ocurra entre los 10 y 60 segundos de iniciada la carga. La carga última P es anotada. El ensayo deberá ser anulado sí la superficie de falla no pasa a través de los puntos los puntos de aplicación de la carga.

g) El procedimiento se repite para el resto de testigos de la muestra.

Figura 2c y 2d – Ensayo de bloques irregulares

Cálculos

El esfuerzo de carga puntual

I s=PDe2 , donde De (diámetro equivalente) es:

en el ensayo diametral De 2 = D2

en el ensayo axial, de bloques o pedazos irregulares De2=4 Aπ

donde A = WD y entonces De2=4WD

π

Correcciones- Is varía como una función de D en el ensayo diametral y como una función de De en

el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debe aplicar una corrección para obtener un valor único de esfuerzo de carga puntual para una muestra de roca. y para que este valor pueda ser usado para propósitos de clasificación de la roca.

- El valor de esfuerzo de carga puntual corregido Is (50) de un testigo o muestra de roca está definido como el valor Is medido en un ensayo diametral con diámetro D= 50mm.

- El método más efectivo de obtener Is (50) es ejecutar ensayos diametrales muy cerca de D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introducirá un mínimo de error (p.e. en el caso de ensayos diametrales de testigos cilíndricos NX con D=54mm, la corrección no es necesaria). Sin embargo no todos los ensayos de carga puntual son ejecutados con estos testigos por lo que la siguiente corrección debe ser aplicada:

Is (50) = F x Is

donde el factor F es la siguiente expresión:

F = (De/50)0.45

- Para testigos con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error será introducido si se usa la expresión:

F = (De/50)0.5

- Los resultados finales Is (50) serán calculados eliminando los dos valores más altos y

los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos y calculando el promedio con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueran pocos solo se eliminará el mayor y el menor y se calculará el promedio con los restantes.

- Los resultados de los ensayos diametrales, axiales, de bloques y pedazos irregulares deben ser calculados separadamente.

- A partir del índice de carga puntual corregido Is (50) se puede utilizar la formula de E. Broch y J. A. Franklin para estimar la resistencia a la compresión no confinada:

c = 24 Is (50)

Informe

- Procedencia, ubicación y tipo de roca.- Contenido de agua de la roca al momento del ensayo.- Una tabla con los valores de P, D, W, De, De

2, Is, F, Is (50) y tipo de ensayo que se aplicó de cada testigo.

- Determinar el c de la muestra de roca ensayada.

Observaciones Cuando se introdujo el ensayo de carga puntual se usó principalmente para predecir el esfuerzo de compresión uniaxial que en ese entonces era el ensayo establecido para la clasificación de la roca.Ahora el esfuerzo de carga puntual puede reemplazar al ensayo de compresión uniaxial si se realiza siguiendo las normas establecidas.

ReferenciasASTM D 5731-95 ISRM Suggested Method for Determining Point Load Strength