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“ENSAYOS EN LA ROCA PARA OBTENER SUS PROPIEDADES MECÁNICAS “
Ing. Max PORRAS CRISTOBAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
INTEGRANTES: ESTEBAN GUTIERREZ,
Carlos ESTRELLA RUIZ, Roy LIBERATO TRUJILLO,
Jaqueline MELENDEZ MUÑOZ,
Miguel MUÑOZ SOLORZANO,
Brian VICUÑA ESTRELLA, Alex
CURSO: TUNELES
OBJETIVOS:
Conocer cuáles son los ensayos para determinar las propiedades mecánicas de las rocas.
Informar sobre los alcances de estos ensayos para sus respectivas aplicaciones en la ingeniería.
Proporcionar información sobre los procedimientos de cálculo y obtención de resultados de cada tipo de ensayo.
GENERAL
ESPECIFICOS
PROPIEDADES MECANICAS:Como
Mediante Pruebas Para
Comprender el comportamiento
de las rocas
Cuando Están sometidas a un esfuerzo provocados
ENSAYOS EN ROCOSOS MACISOS: Ensayo de Compresión Triaxial
Ensayo de Constantes elásticas
Ensayo de Compresión simple
Ensayo de Tracción indirecta por el método brasilero
Ensayo de Corte directo
Medidor de desplazamiento
Ensayo de Carga puntual
Ensayo Diametral
Ensayo Axial
INTRODUCCION:
Las rocas poseen diferentes tipos de propiedades, en el transcurrir de los años el hombre a estado realizando diferentes tipos de ensayos para determinar estas propiedades, algunas han tenido éxito y otras no, mas adelante conoceremos cuales son estos ensayos tanto in- situ y laboratorio.
I. Ensayo de Compresión Triaxial
Este ensayo determina la resistencia a la compresión de un testigo cilíndrico de roca en estado no drenado bajo una presión de confinamiento.
La carga axial y su esfuerzo principal correspondiente simulan el esfuerzo principal mayor que actúa en la corteza (σ1), mientras que la tensión radial producida por la presión hidráulica representa el esfuerzo principal menor σ3.
Nos provee de los valores necesarios para graficar la envolvente de esfuerzos (Mohr) y a partir de ésta calcular el valor del ángulo de fricción interna y la cohesión aparente de la roca.
A. Equipos a usar:
Celda triaxial
Equipo generador y medidor de
presión de confinamiento
Equipo de carga
B. Procedimientos: La celda es ensamblada con el testigo instalado en la
chaqueta y entre las platinas.
El testigo, las platinas y los asientos esféricos deben estar alineados entre sí.
Los asientos esféricos estarán ligeramente lubricados con grasa o aceite.
La celda triaxial se llena con aceite permitiendo que el aire salga por la conexión de escape.
Nos aseguramos que la chaqueta no tenga fisuras ni huecos en de cada ensayo, de manera que el aceite no penetre en el testigo.
La celda se instala en el equipo de aplicación de carga normal.
Se establece la presión de confinamiento en el nivel predeterminado y se mantiene constante, entonces se aplica la carga normal.
El máximo valor de carga axial y su correspondiente presión de confinamiento se registran.
Video referencial
C. Cálculos:
𝝈𝟏=𝑷𝑨
P: Max. Valor de la carga aplicada al testigo.A: Área de la sección transversal del testigo.: Resistencia a la Compresión
II. Ensayo de Constantes elásticas
El Módulo de Young (E) y la relación de Poisson (ν) estiman el comportamiento de los esfuerzos y las deformaciones en el macizo rocoso.
El valor de E permite clasificar a las rocas de la siguiente manera
Roca cuasi-elástica: Para valores de E entre 6 y 10 x 104 MPa, son por lo general de grano fino, masivo y compacto.
Roca semi-elástica: Para valores de E entre 2 y 7 x 104 MPa, se caracterizan por ser de grano grueso en las rocas ígneas y de grano fino, porosidad baja y cohesión media en las rocas sedimentarias.
Roca no elástica o plástica: Para valores de E menores que 2 x 104 MPa, presentan gran cantidad de espacios vacíos o porosos, por lo que tienden a mostrar características variables de esfuerzo-deformación.
A. Equipos a usar:
Celda triaxial
Equipo generador y medidor de
presión de confinamiento
Equipo de carga
Software que registra datos de
cargas y deformaciones
B. Procedimientos: El testigo se coloca en la máquina de ensayos y se
hacen las conexiones eléctricas necesarias con la computadora.
La humedad puede tener un efecto significante en la deformación del testigo, cuando sea posible, se debe conservar las condiciones de humedad, hasta el momento del ensayo. Un exceso de humedad puede crear problemas de adhesión.
La carga sobre el testigo debe ser aplicada de forma continua y con una razón constante de manera que la falla ocurra entre 5 y 10 minutos después de haberse iniciado la aplicación de la carga.
Las cargas y las deformaciones axiales y diametrales son Directamente registradas por el software.
Video referencial
C. Cálculos:
Los valores de esfuerzos y deformaciones axiales y
diametrales se deberán dibujar en un solo gráfico. Estas
curvas muestran el comportamiento típico de las rocas desde
una tensión inicial cero hasta la resistencia última de la roca.
El módulo axial de Young (E) de un espécimen, puede ser
calculado empleando cualquiera de los siguientes métodos:
modulo tangente, promedio y secante.
III. Ensayo de Compresión Simple
Este ensayo permite determinar en el laboratorio la resistencia uniaxial no confinada de la roca, o resistencia a la compresión simple.
Su objetivo es clasificar a la roca por el grado de resistencia que tenga.
A. Equipos a usar:
Prensa hidráulica o mecánica
Dispositivo de compresión
B. Procedimientos: Concebir una idea general de la roca en cuanto a su
litología y estructuras. Identificar las muestras. Medir las dimensiones de la muestra para validar si
satisface las condiciones del ensayo. Se recubre la muestra con una membrana cuyo fin
será el de evitar que al momento de fallar la roca no salten fragmentos y dañen a personas u objetos de alrededor.
Se sitúa el testigo de tal forma que el pistón de la máquina quede paralelo a las caras transversales de la muestra.
Una persona se encarga de medir la presión a la cual esta siendo sometida la muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica, la presión debe ser medida a cada instante ya que al momento de fallar, la aguja que indica el valor de la carga vuelve al punto de partida.
Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa hidráulica.
Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura
C. Cálculos:
Se aplica la carga a la velocidad que especifica la norma correspondiente y
se registra el valor, F, al que se produce la rotura. Entonces, la resistencia a
la compresión vendrá dada por:
IV. Ensayo de Tracción indirecta por el método brasilero
Sobre probetas cilíndricas, que también se puede usar para probetas cúbicas o prismáticas.
En el caso de la probeta cilíndrica se le somete a una fuerza de compresión aplicada en una banda estrecha y en toda su longitud. El resultado de la fuerza de tracción ortogonal resultante origina que la probeta rompa a tracción.
La carga se aplica sin brusquedades y se incrementa continuamente, en la velocidad seleccionada, hasta que no soporte una mayor.
A. Equipos a usar:
Dispositivos para colocar las probetas
Disposición general del ensayo de tracción
indirecta y detalles de la rotura
B. Procedimientos:
la probeta permanece centrada cuando comienza la carga y durante la aplicación de esta el plato superior ha de estar paralelo con el inferior.
Se selecciona un incremento de tensión constante dentro del rango, por ejemplo, de 0.04 a 0.06.
La carga se aplica sin brusquedades y se incrementa continuamente, en la velocidad seleccionada, hasta que no soporte una mayor.
C. Cálculos:
La velocidad de carga requerida en la máquina de ensayo se calcula mediante la fórmula:
𝑹=𝝅𝑺𝟐𝑳𝒅
La resistencia a la tracción indirecta viene dada por la formula:
𝝈𝒄𝒕= 𝟐𝑭𝝅 𝑳𝒅
ct = Resistencia a tracción indirecta, en megapascales o newton por milímetro cuadrado.
F = Carga máxima, en newtons;
L = Longitud de la línea de contacto de la probeta, en milímetros;
d = Dimensión de la sección transversal, en milímetros. Se muestra una disposición general del ensayo de tracción indirecta y los detalles de la rotura.
V. Ensayo de Corte Directo
Tiene como finalidad encontrar el valor del ángulo de fricción residual (ø r) en testigos de roca que han sido previamente fracturados.
Este ensayo se puede aplicar en rocas duras o blandas y en testigos de roca que contengan planos de falla o discontinuidades naturales o artificiales.
El ángulo de fricción interna actúa mientras la roca no ha fallado mientras que el ángulo de fricción residual actúa cuando se ha producido la falla.
A. Equipos a usar:
Maquina de ensayo
Medidor de desplazamient
os
Un aditamento para medir el desplazamiento horizontal con escala graduada en 0.01 mm con un círculo de graduación de 100 unidades con capacidad de medir hasta 25 mm.
una caja partida diagonalmente. La mitad superior equipada con un pistón vertical para aplicar la fuerza normal y la mitad inferior equipada con un pistón horizontal para la aplicación de una fuerza cortante
B. Procedimientos: Se registra el diámetro o las dimensiones de la zona escogida para calcular el área
de deslizamiento.
Se hacen las conexiones hidráulicas..
Se coloca el testigo (encapsulado en la mezcla) en la parte inferior de la caja y se coloca la parte superior de la caja sobre ella. Se hacen coincidir las partes cortadas en forma manual. Se empezará el ensayo aplicando una carga normal pequeña para mantener la posición.
Se fija el medidor de desplazamientos en la parte superior.
Se aplica la carga normal requerida con la bomba manual, se registra y se mantiene constante, luego se aplica la carga cortante gradualmente. Se registran los desplazamientos horizontales y las cargas cortantes respectivas.
Al llegar al máximo valor de fuerza cortante se registra este valor y su desplazamiento. Se sigue aplicando carga cortante hasta que ésta se mantiene constante, entonces habremos hallado el valor de esfuerzo cortante residual.
Se repite este proceso incrementando la carga normal con una razón constante. Volvemos a colocar el testigo en su posición inicial, teniendo cuidado que el detrito producido por el corte no se pierda del plano de ensayo. Obtenemos en cada ensayo los valores correspondientes al esfuerzo cortante máximo y residual.
C. Cálculos:
• Se calcula esfuerzo normal y el esfuerzo de corte de la
siguiente manera.
𝝈=𝑵𝑨 ,𝝉=
𝑭𝑨
𝝉=𝝈∗𝒕𝒂𝒏∅ 𝒓
• El ángulo de fricción residual se encuentra con la ecuación.
VI.Ensayo de Carga Puntual
Es entendido como un ensayo índice para la clasificación de los materiales rocosos.
Puede ser usado para predecir otros parámetros de resistencia mediante correlaciones.
Este ensayo consiste en aplicar una carga concentrada sobre la muestra hasta que esta se rompa.
A. Equipos a usar:Un sistema de carga que permite ser ajustado para el
tamaño de muestra que será ensayado. Este aparato posee
dos puntas en forma de cono truncado de 60º y de 5mm
de radio en su extremo, mediante las cuales se transmitirá
la carga puntual a la muestra.
Un sistema de medición de carga cuyas lecturas están
dadas en kN. Debido que la falla generalmente es
repentina, el sistema fija la máxima carga aplicada de tal
forma que puede ser registrada posterior a la falla.
Un sistema de medición de distancia, que consiste en una
regla adherida al equipo.
C. Cálculos:
Cuando la muestra no posee un diámetro de mm, se requiere realizar una corrección al índice de carga
puntual como sigue:
Factor de corrección
Índice de resistencia de carga puntual corregida es:
I50=F*Id
Índice de resistencia :
VII.ENSAYO DIAMETRAL
El espécimen es puesto en la máquina de ensayo y los punzones son cerrados hasta que queden en contacto con la muestra.
No se lee la distancia inicial puesto que esta corresponde al diámetro que fue medido inicialmente.
Se incrementa la carga mediante el dispositivo hidráulico de la máquina hasta la falla.
Se registra la carga de falla.
En este ensayo De = Diámetro para ensayos diametrales, por lo cual se tiene:
Cuando la muestra no posee un diámetro de mm, se requiere realizar una corrección al índice de carga puntual como sigue:
Factor de corrección, F:
Índice de resistencia de carga puntual corregida es
I50=F*Id
VIII. Carga axialEquipo usado
Sistema de carga que se ajusta al tamaño de la muestra.
Posee dos puntas de cono truncado.
Lecturas de cargas en KN
Sistema de medición de distancias.
Muestra a ensayar con 0,3 < L/D < 1,0
Colocar la muestra en la maquina y ajustar.
No se lee la distancia inicial.
Se incrementa la carga hasta la falla.
Se registra la carga de falla.
Procedimiento
Cálculos:
A partir del índice de resistencia de carga puntual, se puede encontrar la resistencia a
compresión del material ensayado mediante la siguiente expresión:
Conclusiones Son seis ensayos los más conocidos para determinar las propiedades mecánicas de
las rocas para fines de ingeniería.
Los procedimientos de cálculo y obtención de resultados de cada tipo de ensayo, se obtiene de una forma muy práctica mediante fórmulas y equipos de laboratorio.
Los resultados dependen mucho de material usado en el molde ya que muchas veces la resistencia de la roca es tan grande que falla el molde en vez de la probeta.
El ensayo de carga puntual puede servir de referencia para inducir a que roca pertenece la muestra.
El ensayo de corte directo nos brinda un valor estimado de acuerdo a la cantidad de ensayos que se hayan realizado sobre el mismo espécimen de roca.
Para que el ensayo brasileño sea aceptado, el plano de rotura tendrá que ser casi paralelo al eje axial de la muestra.
GRACIAS POR
SU ATENCION