propiedades ingenieriles de las rocas

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UNIVERSIDAD JOSE CARLOS PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS JOSELYN MILAGROS RIOS COLQUE 05/10/2012 CURSO: GEOLOGIA DOCENTE: ING. CESAR VILLA CARRERA: INGENIERIA

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Page 1: Propiedades Ingenieriles de Las Rocas

U N I V E R S I D A D

J O S E C A R L O S M A R I A T E G U I

JOSELYN MILAGROS RIOS COLQUE05/10/2012

CURSO: GEOLOGIADOCENTE: ING. CESAR VILLACARRERA: INGENIERIA CIVILCICLO: IV

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UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUICARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

RESUMEN

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INTRODUCCION

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1. PESO ESPECIFICO

Se le llama Peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y

su volumen.

Su expresión de cálculo es:

Siendo,

, el peso específico;

, el peso de la sustancia;

, el volumen de la sustancia;

, la densidad de la sustancia;

, la masa de la sustancia;

, la aceleración de la gravedad.

1.1. UNIDADES

En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se lo expresa

en newtons sobre metro cúbico: N/m3.

En el Sistema Técnico se mide en kilogramos–fuerza sobre metro cúbico:

kgf/m3.

En el SIMELA se expresa en newtons sobre metro cúbico: N/m3.

Como el kilogramo–fuerza representa el peso de un kilogramo —en la Tierra—,

el valor numérico de esta magnitud, expresada en kgf/m3, es el mismo que el

de la densidad, expresada en kg/m3.

Por ende, está íntimamente ligado al concepto de densidad, que es de uso fácil

en unidades terrestres, aunque confuso según el SI. Como consecuencia de

ello, su uso está muy limitado. Incluso, en Física resulta incorrecto.

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2. POROSIDAD

La porosidad es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases.

También es el tamaño y número de los poros de un filtro o de una membrana

semipermeable.

2.1. POROSIDAD MASIVA Y VOLUMETRICA

La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la

siguiente fórmula matemática:

Donde:

, Masa de una porción cualquiera del material (en seco).

, Masa de la porción después de haber sido sumergido en agua:

Esta última ecuación puede ser usada para estimar la proporción de huecos o

porosidad volumétrica:

Donde:

, es la densidad del material (seco).

, es la densidad del agua.

, es la proporción de huecos (expresada en tanto por uno).

2.2. POROSIDAD EN LOS SUELOS

En edafología la porosidad de un suelo viene dada por el porcentaje de huecos

existentes en el mismo frente al volumen total. A efectos prácticos se calcula a

partir de las densidades aparente y real del suelo:

Donde:

, es la densidad aparente del material.

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 es la densidad real del material.

3. PERMEABILIDAD

La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un líquido que lo

atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja

pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado,

e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable.

La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:

la porosidad del material;

la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura;

la presión a que está sometido el fluido.

Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios

vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar

interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material.

Por otro lado, hay que hablar de una "permeabilidad intrínseca" (también llamada

"coeficiente de permeabilidad"); como constante ligada a las características propias o

internas del terreno. Y de una "permeablidad real" o de Darcy, como función de la

permeabilidad intrínseca más las de las características del fluido.

3.1. UNIDADES

La "permeabilidad intrinseca" en el SMD se mide en cm2 o m2. La unidad

derivada de la Ley de Darcy1 es el darcy, y habitualmente se utiliza el

milidarcy:

Conversión: 

La permeabilidad de Darcy se mide, en cambio, en unidades de velocidad:

cm/segundo o m/segundo.

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4. ABSORCION

Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o

más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de

un solvente líquido con el, cual forma solución(un soluto A, o varios solutos, se

absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una

difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a través

del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en

reposo. Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de

agua líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama

empobrecimiento o desabsorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es

agua pura, el proceso se llama deshumidificación, la deshumidificación

significa extracción de vapor de agua del aire.

4.1. REGLAS DE LAS FASES Y EQUILIBRIO PERFECTO

Para predecir la concentración de un soluto en dos fases en equilibrio, se

requieren datos de equilibrio experimentales. Además, si las dos

faseimpulsora, que es la desviación con respecto al equilibrio. Las

variables importantes que afectan al equilibrio de un soluto son

temperatura, presión y concentración. El equilibrio entre dos fases en

cualquier caso, está restringido por la regla de las

fases:   donde P es el número de fases en equilibrio, C

es el número de componentes totales en las dos fases (cuando no se

verifican reacciones químicas), y F es el número de variantes o grados de

libertad del sistema. Para el equilibrio líquido-gas se tiene 2 componentes y

2 fases, por lo tanto:  . Se tiene 2 grados de libertad

y las combinaciones pueden ser: (PA, T), (yA, T), (xA, T)

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5. RESISTENCIA DE LAS ROCAS

La resistencia de las rocas se interpreta en función de la capacidad que tienen

para resistir esfuerzos de compresión, esfuerzos cortantes y esfuerzos de

tensión. La resistencia a tensión de las rocas se desprecia por lo que

generalmente se emplea la roca en construcciones donde sólo se presentan

esfuerzos de compresión y/o esfuerzos cortantes. La resistencia de las rocas

puede ser muy variable, aún tratándose de muestras provenientes de una

misma veta, por esta razón los factores de seguridad empleados en el diseño

puede variar de 6 a 10 siendo mucho más altos en el caso de piezas de

cimentación. Para dar una idea de la capacidad de carga de algunas rocas se

presenta la imagen, en ella se puede observar la enorme variabilidad que

puede existir en un mismo tipo de roca.

5.1. RESISTENCIA A LA COMPRESION

La resistencia a la compresión es la carga (o peso) por unidad de área a la

que el material falla (se rompe)

por fracturación por cizalla o extensional (Figura 6). Esta propiedad es muy

importante en la mecánica de materiales, tanto en situación no confinada

(i.e., uniaxial) como confinada (i.e., triaxial). Dado que los materiales cerca

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de la superficie terrestre, incluyendo los edificios, suelen estar sometidos a

condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta situación.

En este caso, la resistencia a la compresión uniaxial (i.e., longitudinal)

se mide en una prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor (sl)

aplicado sobre una probeta de material en una dirección del espacio, y

la deformación lineal (el) inducida en esa misma dirección.

5.2. RESISTENCIA A LA TENSION

La resistencia a la tensión es el esfuerzo tensional por unidad de área a la que

el material falla (se rompe) por fracturación extensional. Esta propiedad, que es

una indicación del grado de coherencia del material para resistir fuerzas

“tirantes”, depende de la resistencia de los minerales, del área interfacial entre

granos en contacto y del cemento intergranular eintragranular.

Existen distintas técnicas para medir la resistencia a la tensión, tanto en

materiales pétreos como en morteros, cementos y hormigones. En el ensayo

de tracción directa, quizás el más apropiado, se utilizan probetas cilíndricas

con una razón longitud/diámetro de 2 a 2.5. Los extremos de las probetas se

introducen (y pegan con resina epoxi) en unas cápsulas que están unidas a

cadenas que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de

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torsión. La norma ASTM D2936 regula los métodos y condiciones

experimentales este ensayo.

Los conceptos, definiciones y controles de la deformación introducidos

anteriormente para la resistencia a la compresión pueden ser extendidos sin

más problema a la resistencia a la tensión. Respecto de los materiales pétreos

de construcción, puede generalizarse que, para un material dado, la magnitud

de la resistencia a la tensión suele ser de un orden de magnitud menor que la

resistencia a la compresión. En la Tabla 5 se presentan valores de resistencia

a la tensión para algunas rocas medidos con la técnica de tracción directa.

5.3. MECANICA DE LOS ESFUERZOS CORTANTES

El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o

resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma

mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Se designa variadamente como T, V o Q

Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a

la tensión cortante. Para una pieza prismática se relaciona con la tensión cortante

mediante la relación:

Tabla 5. Resistencia a la tensión (Mpa) de algunas rocas (deTouloukian y Ho, 1981).Basalto                     8.6Conglomerado         29.7Calizas                     4.2     5.8Arenisca                   1.1     1.7Arenisca calcárea     4.3Esquistos                  3.1

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6. ELASTICIDAD DE LAS ROCAS

6.1. MODULO DE ELASTICIDAD

El módulo de elasticidad, también denominado módulo de Young, es un parámetro

que se obtiene empíricamente a partir de un ensayo denominado ensayo a

tracción.

En caso de que tengamos un material elástico lineal e isótropo, el módulo de

Young calculado en el ensayo a tracción también resulta válido para los casos en

que haya compresión.

El ensayo a tracción estudia el comportamiento de un material sometido a un

esfuerzo de tracción progresivamente creciente, ejercido por una maquina

apropiada, hasta conseguir la rotura. El ensayo se efectúa sobre una probeta

normalizada, marcada con trazos de referencia, para poder determinar las

deformaciones en función de los esfuerzos. Los esfuerzos se definen como:

Siendo P la carga aplicada sobre la probeta, con un área transversal inicial A0.

Mientras que las deformaciones las definimos como:

Con , siendo l la longitud correspondiente a una carga determinada y l0

la longitud inicial (sin carga).

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A partir de los ensayos de tracción se obtienen las curvas tensión deformación de

los distintos materiales. En dichas curvas se representan los valores obtenidos de

los alargamientos frente a los esfuerzos aplicados. Las curvas, en el caso de

materiales dúctiles, suelen tomar un aspecto similar a este:

Se distinguen cuatro zonas:

Zona 1: Deformación Elástica

Zona 2: Fluencia

Zona 3: Deformación Plástica

Zona 4: Estricción

En nuestro estudio sobre el módulo elástico nos centraremos en la zona 1. En esta

zona, si se retirase la carga el material volvería a su longitud inicial. Además las

tensiones son proporcionales a los alargamientos unitarios y esto se expresa con

una ecuación analítica que constituye la ley de Hooke:

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donde σ representa la tensión normal, ε las deformaciones unitarias y E el módulo

de elasticidad.

Por tanto, podemos definir el módulo de elasticidad como la pendiente de la curva

tensión-deformación en la zona elástica (zona 1). Es, por tanto, una medida de la

rigidez del material, esto es su resistencia a la deformación elástica. El modulo de

Young es diferente para cada material. En esta tabla se recogen los valores de los

materiales de mayor utilización:

Material E(GPa)

Cuarzo 310

Acero inoxidable 200

Cobre 110-120

Bronce 110

Latón 105

Aluminio 70

Granito 50

Hormigón 25-30

Madera 11-14

Variaciones en el módulo de elasticidad

Temperatura:

El módulo de elasticidad decrece al incrementarse la temperatura, ya que la

expansión térmica reduce el valor de (F: fuerza aplicada al material; a: área

transversal del material), haciendo disminuir por tanto el módulo de elasticidad.

En la siguiente gráfica se puede ver este efecto en cuatro metales comunes,

hierro, cobre, aluminio y magnesio:

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Dirección cristalográfica:

Los módulos elásticos no son isotrópicos dentro de los materiales, es decir, varían

con la orientación cristalográfica. Esto es debido a la relación entre el módulo

elástico y la energía de enlace. Así tenemos:

Metal <111> <100>

Pb - FCC 27.6 6.9

Al - FCC 75.9 62.1

Au - FCC 110 41.1

Fe - BCC 283 130

Tratamiento térmico:

El módulo elástico también varía, aunque en menor medida, con el tratamiento

térmico aplicado en porcentajes que oscilan entre un 1 a 6 % respecto de los

valores originales. Así para un acero de alto contenido en carbono el módulo de

Young del material recocido es de 210 GPa mientras que para el mismo material

endurecido es de 201 GPa.

En el caso de que la curva tensión deformación no presente un tramo rectilíneo, ya

no se puede calcular el módulo de elasticidad del modo que hemos explicado. Este

es el caso de materiales como las fundiciones grises, en los que el porcentaje de

elongación es pequeño y la reducción de área es inapreciable.

Los métodos usuales son determinar el módulo “relativo” al 25% de la resistencia

tensil esperada o el módulo “tangente” trazando una línea tangente a algún valor

de esfuerzo dado.

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6.2. MODULO DE COMPRESION

El módulo de compresibilidad ( ) de un material mide su resistencia a la

compresión uniforme y, por tanto, indica el aumento de presión requerido para

causar una disminución unitaria de volumen dada.

El módulo de compresibilidad   se define según la ecuación:

donde   es la presión,   es el volumen,   y   denotan los cambios de la

presión y de volumen, respectivamente. El módulo de compresibilidad tiene

dimensiones de presión, por lo que se expresa en pascales (Pa) en el Sistema

Internacional.

El inverso del módulo de compresibilidad indica la compresibilidad de un material y

se denomina coeficiente de compresibilidad.

6.2.1. EJEMPLO

Para disminuir el volumen de una bola de hierro, con un módulo de

compresibilidad de 160 GPa (giga pascales ) en un 0.5%, se requiere un

aumento de la presión de 0.005×160 GPa = 0.8 GPa. Alternativamente, si

la bola es comprimida con una presión uniforme de 100 MPa, su volumen

disminuirá por un factor de 100 MPa/160 GPa = 0.000625 o 0.0625%.

6.2.2. USOS

Aunque para el tratamiento de sólidos el efecto del módulo de

compresibilidad es muchas veces ignorado en favor de otros módulos,

como el módulo de Young, para el tratamiento de fluidos, solo el módulo de

compresibilidad es representativo. En situaciones en las que un sólido se

comporta como un fluido, como por ejemplo en balística terminal, el módulo

de compresibilidad no puede ser ignorado.

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Estrictamente hablando, el módulo de compresibilidad es un

parámetro termodinámico, y por tanto es necesario especificar las

condiciones particulares en las que se produce el proceso de compresión,

lo que da lugar a la definición de diferentes módulos de compresibilidad.

Los más importantes, aunque no los únicos, son:

Si durante el proceso de compresión la temperatura permanece constante,

tenemos el que el coeficiente de compresibilidad isotérmico, ( ) viene dado

por.

Si el proceso de compresión es adiabático, tenemos el coeficiente

de compresibilidad adiabático, ( ).

En la práctica, estas distinciones son solo relevantes para gases. En un gas ideal,

los módulos de compresibilidad isotérmico y adiabático vienen dados por

Donde

p es la presión y

γ es el coeficiente adiabático.

En un fluido, el módulo de compresibilidad K y la densidad ρ determinan

la velocidad del sonido c (ondas de presión), según la fórmula

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6.2.3. VALORES DE LA COMPRENSIBILIDAD

Substancia Módulo de compresibilidad

Agua2.2×109 Pa (este valor aumenta a

mayores presiones)

Aire1.42×105 Pa (módulo de compresibilidad

adiabático)

Aire1.01×105 Pa (módulo de compresibilidad

isotérmico)

Acero 160×109 Pa

Aluminio 73×109 Pa

Bronce 88×109 Pa

Cobre 110×109 Pa

Cristal 35×109 a 55×109 Pa

Diamante 442×109 Pa1

Goma (caucho) 4.1×109 Pa (aproximado)

Helio sólido 5×107 Pa (aproximado)

Níquel 18×109 Pa

Plomo50×109 Pa

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6.3. COEFICIENTE DE POISSON

El coeficiente de Poisson (denotado mediante la letra griega  ) es

una constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de

sección de un prisma de material elástico lineal e isótropo cuando se estira

longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de

estiramiento. El nombre de dicho coeficiente se le dio en honor al físico

francés Simeon Poisson.

6.3.1. MATERIALES ISOTROPOS

Si se toma un prisma mecánico fabricado en el material cuyo coeficiente de

Poisson pretendemos medir y se somete este prisma a una fuerza de

tracción aplicada sobre sus bases superior e inferior, el coeficiente de

Poisson se puede medir como: la razón entre el alargamiento longitudinal

producido dividido por el acortamiento de una longitud situada en un plano

perpendicular a la dirección de la carga aplicada. Este valor coincide

igualmente con el cociente de deformaciones, de hecho la fórmula usual

para el Coeficiente de Poisson es:

Donde ε es la deformación.

Para un material isótropo elástico perfectamente incompresible, este es

igual a 0,5. La mayor parte de los materiales prácticos en la ingeniería

rondan entre 0,0 y 0,5, aunque existen algunos materiales compuestos

llamados materiales augéticos que tienen coeficiente de Poisson negativo.

Termodinámicamente puede probarse que todo material tiene coeficientes

de Poisson en el intervalo [-1, 0,5).

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6.3.1.1. LEY DE HOOKE GENERALIZADAConociendo lo anterior se puede concluir que al deformarse un material en una

dirección producirá deformaciones sobre los demás ejes, lo que a su vez

producirá esfuerzos en todos lo ejes. Por lo que es posible generalizar la ley de

Hooke como:

6.3.2. MATERIALES ORTOTROPOS

Para materiales ortotrópicos (como la madera), el cociente entre la

deformación unitaria longitudinal y la deformación unitaria transversal

depende de la dirección de estiramiento, puede comprobarse que para

un material ortotrópico el coeficiente de Poisson aparente puede

expresarse en función de los coeficientes de Poisson asociados a tres

direcciones mutuamente perpendiculares. De hecho entre las 12

constantes elásticas habituales que definen el comportamiento de un

material elástico ortotrópico, sólo 9 de ellas son independientes ya que

deben cumplirse las restricciones entre los coeficientes de Poisson

principales y los módulos de Young principales:

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6.4. TENSION RESIDUAL

Cuando las rocas metamórficas, afloran en la superficie de un terreno,

estas reaccionan de una manera distinta debido a que tanto el estado de

tensión como la temperatura son distintos a su formación inicial. Esto da

como resultado una relajación parcial de tensiones y otras confinadas

(tensiones residuales).

Las tensiones residuales son tensiones que permanecen en el interior del

material cuando éste no se encuentra sometido a cargas externas. Su

origen está en los tratamientos mecánicos y térmicos empleados en los

procesos de fabricación o en las cargas aplicadas cuando la pieza o

componente se encuentran en servicio. Dichas tensiones pueden provocar

cambios dimensionales y distorsiones en las piezas fabricadas que las

hagan inservibles para su aplicación.

7. FACTOR DE SEGURIDAD

Otra decisión que afronta el Ingeniero es la decisión sobre el factor de

seguridad. Una idea general de los factores a emplear permite recomendar

los siguientes factores de seguridad mínimos

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CONCLUSIONES

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APORTE DEL ALUMNO