Propiedades Ingenieriles de Materiales Rocosos

Matriz Rocosa (Roca Intacta) Material rocoso sin discontinuidades o bloques de roca intacta entre discontinuidades.A pesar de considerarse continua es heterognea y anistropa, ligada a la fbrica, textura y estructura, mineral.Mecnicamente, la matriz rocosa se caracteriza por su densidad, resistencia y deformabilidad.

Descripcin: Color, tamao de grano, estructura, meteorizacin, nombre, resistencia.

Propiedades fsicas:

Controlan las caractersticas resistentes y deformacionales de la matriz rocosa.

Resultado de la gnesis, condiciones y procesos geolgicos y tectnicos sufridos por la roca a travs de su historia.

Se determinan en laboratorio

Procesos geolgicos que afectan las propiedades geotcnicas de la rocaAmbiente de depositacin: Tamao de grano, seleccin, estratificacin, etc. Diagnesis, grado de cementacinHistorial de stressesGrado de compactacinPosibles anisotropasMetamorfismoMagmatismo, cristalizacinMeteorizacin

Tomado de Gonzlez de Vallejo, 2002

Peso especfico o peso unitarioEl peso unitario de una roca depende de sus componentes y se define como el peso por unidad de volumen (unidades de fuerza -N, tonf,etc.- por volumen).

= g

POROSIDAD:

Relacin entre el volumen ocupado por los huecos o poros en la roca (Vv) y el volumen total: = Vv/V.Es una de las propiedades que ms afecta a las caractersticas resistentes y mecnicas. Los poros en rocas cristalinas gneas o metamrficas pueden ser grietas o microfracturas .La porosidad generalmente decrece con la profundidad y con la edad de las rocas.El valor de puede variar entre 0% y 90%, siendo valores normales entre 15 y 30%.

PERMEABILIDAD:

Es la capacidad de una roca para transmitir agua. La mayora de las rocas presentan permeabilidad baja o muy baja. La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad o de conductividad hidrulica, k, expresada en m/s, cm/s o m/da.

Para la mayora de las rocas, a nivel de matriz rocosa, se asume que el flujo sigue la ley de Darcyqx= caudal en la direccin x (volumen/tiempo)h= altura hidrulica A= seccin normal a la direccin x, kk= conductividad hidrulica

DURABILIDAD:

Es la resistencia de la roca a procesos de desintegracin.

Rocas volcnicas, lutticas o pizarrosas, con contenidos importantes de minerales arcillosos al ser expuestos al aire o al agua pueden degradar de manera importante las propiedades resistentes. Las propiedades resistentes pueden ser sobrevaloradas para usos ingenieriles como excavaciones superficiales, tneles, terraplenes, etc. La durabilidad se evala mediante un ensayo: slake durability test (SDT).

El material previamente fragmentado se somete a ciclos estndar de humedad-sequedad-desmoronamiento de 10 min. Los fragmentos son pesados despus de secados al horno e introducirlos en un tambor. El tambor est sumergido en agua (u otro) hasta bajo el eje. Se rota el tambor un nmero determinado de veces. La muestra que permanece en el tambor se extrae, se seca y se pesa y se repite el ciclo.El ndice de durabilidad ID, representa el porcentaje de roca, en peso seco, que queda retenido en el tambor, despus de uno o dos ciclos de desmoronamiento (ID1, ID2) y puede variar entre 0% y 100%

ID(%)= Peso seco despus de uno o dos ciclosPeso inicial de la muestra

La clasificacin estndar se hace en base a dos ciclos (ID2). Rocas arcillosas con ID2< 10% son clasificadas en base a ID1

Clasificacin de la durabilidad en base al ndice ID2

Durabilidad% peso retenido despus de 2 ciclosMuy alta>98Alta95 98Media alta85 95Media60 85Baja30 60Muy baja< 30

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. Tipos de Resistencia en Roca IntactaAl cizalle.A la traccin.A la compresin simple (carga uniaxial).

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).

Medicin de resistenciaTerreno:Rebote del martilloVelocidad de ondasMartillo SchmidtEnsayo carga puntual

Laboratorio:Ensayos Triaxial-UniaxialEnsayo de carga puntualMartillo SchmidtVelocidad de ondas (ultrasonido)

Ensayos de ResistenciaEn 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.

Todos los ensayos usan fuerzas compresivas.TraccinUniaxial (No confinado)Triaxial

Resistencia a la Compresin SimpleEs 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

Ensayos Uniaxiales (Compresin Simple)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

Resistencia al CizallePara 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.

Criterio Mohr-Coulomb

Ensayos TriaxialesUsualmente 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.

Resistencia a la Traccin

Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del grano.Ensayo de traccin (Test Brasileo) Otra forma de ensayo uniaxial, s2=s3=0Dimetro: largo debe ser aprox. 1:1Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.

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.

Evolucin de fracturamientoEtapa 1: Desarrollo de strain elsticoEtapa 2: Microfracturamiento, strain no recuperable.Etapa 3: Fracturamiento coalesce y se forma un plano discreto de fractura. Etapa 4: Cizallamiento

Fracturamiento se puede detectar por emisiones acsticas, las que se elevan al cizallar.

Las emisiones acsticas han permitido detectar las etapas de fracturamiento en los ensayos de compresin.

Es posible estimar la resistencia de la roca en terreno. Ensayo de carga puntual se puede hacer en terreno y laboratorio. Clasificacin de Brown (ISRM, 1981)Resistencia en terreno

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

Ensayo de carga puntual: El stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, segn el dimetro de la muestra.

Relacin Resistencia a la Carga Puntual/ resistencia a la compresin simple

Martillo de SchmidtMide la resistencia de superficies slidas. Creado para hormigones, se ha extendido su uso a la roca, correlacionando con la resistencia a la compresin simple de la superficie.

Influencia de Tamao del Grano

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!!

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).

Relaciones Esfuerzo-Deformacin y Constantes Elsticas

DeformacinLa deformabilidad de la roca intacta se expresa en trminos de la relacin entre stress y strain en compresin uniaxial. Curva tpica, deformacin frgil

Relaciones esfuerzo-deformacin

Las rocas se deforman de manera diferente segn sus caractersticas geolgicas.

Algunas rocas, especialmente sales y carbonatos a alto s3, muestran un comportamiento dctil.

Elasticidad: Mdulo de Deformacin o de Young

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.

Razn de PoissonUn segundo parmetro elstico, mide la razn entre el strain lateral y el strain axial. Axial StrainLateral Strain

Mdulo de CizalleIgualmente 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 el anlisis stress-strain pasa a ser un anlisis tensorial.

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