GEOTECNIA

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS FISICAS Y MATEMTICA.ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

GEOLOGIA

UNIDAD II

SEMESTRE 2014

LABORATORIOENSAYOS DE LABORATORIO EN ROCALos ensayos de laboratorio en rocas tiene dos objetivos:Estudio del comportamiento geomecnico del macizo rocosoAnlisis de la roca para su utilizacin en obras de infraestructura, o arquitectura.

Los ensayos tratan de definir las caractersticas de la roca matriz.Los ensayos son comunes para los dos objetivos.

Ensayos:Ensayos de identificacin: se pretende establecer la composicin de la roca, conocer su estructura, determinar la presencia de intrusiones, orientaciones, preferentes y existencia de discontinuidades.

LABORATORIOb. Ensayos de estado: el objetivo de estos ensayos es conocer el estado en que se encuentra la roca en relacin con su densidad, porosidad y humedad.

c. Ensayos de clasificacin: con este tipo de ensayos se pretende establecer una clasificacin del material de acuerdo con diversos criterios semiempricos diferenciando entre los estados ms sanos posibles a los muy alterados o dbiles.

d. Ensayos de resistencia y deformabilidad, con los que se pretende determinar diferentes parmetros resistivos y deformacionales.

e. Ensayos de permeabilidad

f. Ensayos de alterabilidad frente a los agentes fsicos y qumicos

LABORATORIOENSAYOS DE IDENTIFICACINEn este grupo de ensayos de identificacin se pretende, entre otras cosas, establecer la composicin de la roca, conocer la estructura, determinar la presencia de intrusiones, orientaciones preferentes y existencia de discontinuidades.

- Descripcin petrogrficaEn relacin con las caractersticas propiamente petrolgicas de la roca, pueden emplearse para su determinacin, con carcter orientativo y de una manera progresiva, la siguientes tcnicas:

a) Reconocimiento y descripcin de visu de los testigos o fragmentos de roca, lo cual permite diferenciar los distintos materiales y, complementariamente, sus grados de meteorizacin, las discontinuidades que presentan y, en el caso de testigos su espaciamiento.

LABORATORIOb) Anlisis mediante lupa binocular de 20 a 30 aumentos, con lo cual es posible tener una primera idea de los componentes minerales de la roca, su posible estructura y su distribucin espacial.c) Observacin mediante microscopio petrogrfico que, con el mismo propsito que la lupa binocular, posee un mayor poder de resolucin. Tambin permite reconocer los distintos minerales que componen la roca a partir de sus propiedades pticas.Con estas tres tcnicas se determina, la textura de la roca y el tamao predominante de la misma.

d) Utilizacin de tcnicas de difraccin de rayos x, con las cuales se analiza de forma adecuada la composicin de la roca y la proporcin de los minerales de naturaleza arcillosa.LABORATORIO- ColorEl color es la propiedad fsica que define la apariencia esttica de la roca y su posible grado de alteracin. Suele medirse bien por la carta de colores de Munsell o mediante electroscopio.

- Grado de meteorizacinGeneralmente es preciso reconocer el grado de meteorizacin que presenta la roca, siendo frecuente emplear para su determinacin, las siguientes recomendaciones establecidas por la Sociedad Internacional de Mecnica de Rocas (ISRM, 1978):

- Categora I: Sana: no hay signos visibles de meteorizacin. Si acaso una dbil decoloracin en la principales superficies de discontinuidad.LABORATORIO- Categora II: Dbilmente meteorizadaLa decoloracin indica una meteorizacin de la roca matriz y de las discontinuidades. Todo el medio rocoso puede estar decolorado y ser algo ms dbil externamente que en su condicin sana.

- Categora III: Moderadamente meteorizadaMenos de la mitad del material est descompuesto y/o desintegrado hasta al condicin del suelo. Aparece la roca sana o decolorada, ya sea de forma continua o en zonas aisladas.

- Categora IV: Muy meteorizadaMs de la mitad del material est descompuesto y/o LABORATORIOdesintegrado hasta la condicin de suelo. Aparece roca sana de modo discontinuo. - Categora V: Completamente meteorizadaToda la roca est descompuesta y/o desintegrada aunque la estructura original est en su mayora intacta.- Presencia de arcillas, sulfatos y salesLa presencia en la roca de determinados componentes qumicos pueden dar lugar a una elevada alteracin de la misma. Por ello, ser preciso determinar previamente estos componentes para poder aventurar su comportamiento futuro. LABORATORIOEn este sentido, es de gran utilidad determinar:

a. El contenido de arcillas del grupo de las esmectitas, anlisis que se realiza mediante el ensayo Absorcin de Azul de Metileno o mediante difraccin de Rayos X.

b. El contenido de sulfatos y sulfuros totales.

c. La presencia de sales solubles y sales hidratables.La identificacin realizada de acuerdo a estos criterios, suministras datos de ndole cualitativos de la roca, pero no es suficiente para la utilizacin del material.

LABORATORIOENSAYOS DE ESTADOEl objetivo de estos ensayos es conocer el estado en que se encuentra la roca en relacin con su densidad, porosidad y humedad.

- Densidad y peso especfico de las partculasDensidad se refiere a la masa sobre volumen, y peso especfico de las partculas es el peso sobre la unidad de volumen, pero teniendo en cuenta nicamente los granos o cristales de roca y despreciando los huecos.LABORATORIO

LABORATORIO- PorosidadLa porosidad es la relacin entre el volumen de huecos, entendido normalmente como la suma de huecos y fisuras, y el volumen total de muestra de roca.Los huecos como tal suelen ser de forma esfrica o redondeada, mientras que las fisuras suelen ser sensiblemente planas.Los huecos y fisuras tienen influencia en el comportamiento mecnico de rocas.

LABORATORIO

LABORATORIOLa porosidad de una roca puede determinarse mediante las siguientes formas:- A partir de la densidad- A partir del agua absorbida tras saturar la roca con agua.- Saturando la roca con mercurio introducido a presin.- Midiendo el volumen de slidos y de aire utilizando la ley Boyle.Para el mismo tipo de roca, la porosidad disminuye con la edad y con la profundidad a la que se encuentra. La resistencia , la deformabilidad y la alterabilidad estn relicionadas de manera directa con la porosidad.LABORATORIO

LABORATORIO- Absorcin de aguaEl ensayo consiste en sumergir muestras en un recipiente con agua, en las condiciones establecidas en cada uno de los distintos tipos de ensayo que existen normalizados. Este ensayo se emplea para determinar la alterabilidad potencial de las rocas.

Se pueden diferenciar los siguientes tipos:- Absorcin de agua por inmersin libre o forzada- Absorcin de agua por higroscopicidad- Absorcin de agua por capilaridad

LABORATORIOLa cantidad de agua absorbida por un fragmento de roca influye directamente en su resistencia a la compresin simple o la carga puntual.

LABORATORIOENSAYOS DE CLASIFICACIONCon este tipo de ensayos se pretende establecer una clasificacin del material de acuerdo con diversos criterios semiempricos diferenciando entre los estados mas sanos posibles a los muy alterados.

Velocidad snicaLa velocidad de transmisin de las ondas ultrasnicas es un parmetro de fcil obtencin en laboratorio, a partir del cual es posible determinar el grado de fisuracin existente en un testigo o fragmento de rocas.

Indice de calidadEl mtodo de Fourmaintreux (1976) se basa en el estudio de

LABORATORIOde la onda emitida y recibida en el ensayo de onda sonica, para evaluar el estado de fisuracin de la roca.

LABORATORIOENSAYOS DE RESISTENCIA Y DEFORMABILIDADCon estos ensayos se determina diferentes parmetros resistivos y deformacionales y la relaciones entre ambos.

- Resistencia a la compresin simple La resistencia de la roca puede valorarse a partir de este ensayo, exige una meticulosa preparacin de las probetas y una cuidada ejecucin del ensayo.

- Ensayo de carga puntual Supera algunos inconvenientes que presenta el ensayo de resistencia a la compresin simple, y como posible complemento de mismo. LABORATORIONormalmente se emplea sobre testigos de roca, tambin es posible en fragmentos irregulares, pero la dispersin de resultados es elevada, debido a que la rotura es a traccin y de tipo frgil.El ensayo como tal consiste en la compresin de un fragmento o testigo de roca entre dos puntas cnicas, produciendose la rotura cuando aparecen grietas aproximadamente paralelas al eje de aplicacin de carga.

LABORATORIO

LABORATORIO- Ensayo de contraccin directa o Brasileo,Consiste en someter a una probeta cilndrica a un esfuerzo de compresin a lo largo de dos generatrices opuestas. El estado de tensiones producido origina la rotura de la probeta en el plano de carga. El resultado depende esencialmente de la resistencia de la red cristalina de los minerales constituyentes de la roca y de los defectos internos que presente sta, que permite la clasificar la resistencia de la roca.

- Determinacin de la dureza superficialDetermina tambin la resistencia a la compresin simple a partir de la dureza superficial de la roca, mediante el martillo Schmidt de rebote (o esclermetro). LABORATORIOEl ensayo fue desarrollado inicialmente para tener a priori una idea del valor de la resistencia a la compresin de probetas de hormign.

- Ensayos TriaxialesLos ensayos triaxiales son similares a los utilizados en un estudio de suelos. Se trata de alcanzar el estado de rotura de probetas cilndricas de roca aplicando una tensin lateral, constante y aumentando la tensin vertical. Durante este proceso se miden las deformaciones de la probeta para obtener la relacin tenso-deformacional correspondiente.Este ensayo solo tiene inters en la minera y a grandes profundidades.LABORATORIO- Ensayos de corte directoSe determina la cohesin y el rozamiento interno a lo largo de una superficie cuasi-plana, bien sea del testigo de roca o de una discontinuidad, siendo lo ms habitual.

ENSAYOS DE PERMEABILIDADLa permeabilidad del testigo o muestra de roca aporta informacin sobre la posible interconexion entre los poros y microfisuras existentes en la misma.

La permeabilidad registrada in situ es superior a la que se obtiene en laboratorio. LABORATORIO

LABORATORIOENSAYOS DE ALTERABILIDAD

Las alteraciones que tienen lugar en las rocas pueden ser de tres tipos: fsicas, qumicas y biolgicas. La idea que subyace tras estos ensayos es reproducir en laboratorio y de forma acelerada los procesos de alteracin que inducen en la roca los agentes externos de la zona en donde la roca va a quedar depositada. Estos procesos dependen de la superficie especfica sobre la que actan los agentes externos y el grado de accesibilidad de estos agentes al interior del material, de la cual depende grandemente la velocidad a la que se produce la alteracin.El acceso de los agentes externos depende de la permeabilidad y porosidad de la roca. La primera facilita el accesos y la segunda facilita su accin en el volumen mayor. A medida que aumenta la alteracin, se produce un aumento progresivo de la porosidad de la roca, se suele calificar mediante la absorcin, en obras pblicas.LABORATORIOLos materiales ptreos tienen otra caracterstica que influye notablemente en su alterabilidad de las rocas, su composicin mineralgica, esta directamente relacionada con los procesos de alteracin, en los que se producen transformaciones qumicas.Desde esta caracterstica los minerales ms alterables son el olivino dentro los de los silicatos ferromagnesianos y las plagioclasas clcicas dentro de los silicatos de aluminio, sodio, calcio y potasio. Por el contrario, cuarzo, mica y feldespato potsico son los minerales ms estables.

Por tanto los criterios a establecer en el comportamiento de la roca, frente a acciones de tipo atmosfrico, trmico, presencia de fluidos en circulacin, cambios de volumen, alteraciones debidas a variaciones en el estado de tensiones a que se va a ver sometida la roca, y que dan lugar, fundamentalmente, a la aparicin de fisuras y la modificacin de la granulometra original.LABORATORIOEn la prctica hay que considerar cuales son los mecanismos de alteracin esperados. A continuacin se establece cul es el ensayo de laboratorio que mejor reproduce el fenmeno. Se llevan a cabo los ensayos y se comparan los resultados obtenidos con criterios semiempricos.

- Ensayo de hinchamiento: Este ensayo permite medir el cambio de volumen de una muestra o probeta debido a la humectacin gradual de la roca. En general, solo se mide el hinchamiento en direccin vertical. Este ensayo esta especialmente indicado, a rocas arcillosas, las cuales tienen una capacidad elevada para aumentar volumen por adsorcin de agua, con un potencial de hinchamiento variable, en funcin de la naturaleza de la arcilla.

- Ensayo de desgaste de los Angeles: El ensayo trata de determinar la resistencia a la fragmentacin por choque de los trozos rocosos que se emplean, en la realizacin de los mismos.LABORATORIOEstos trozos se introducen en el interior de un tambor giratorio junto con una serie de bolas de acero.

Como referencia de los valores obtenidos de algunas rocas:

LABORATORIO- Ensayo de humedad-sequedad: Las rocas como material de construccin para las obras pblicas y para la edificacin, por el clima, estn sometidas a proceso de humectacin y desecacin que, en funcin de sus componentes o del estado en que se encuentren, pueden provocar alteraciones.Los mecanismos por los que se producen estas alteraciones son estudiados. El ms importante es el que tiene lugar en las rocas arcillosas, a veces en al primera humectacin y otras veces despus de varios ciclos.El ensayo trata de cuantificar el debilitamiento originado en la red cristalina de los minerales de la roca por la presencia y desaparicin parcial del agua, tras un determinado nmero de ciclos, normalmente 25. El resultado del ensayo se mide a travs de prdida de peso seco experimentada por las muestras durante la realizacin del mismo.LABORATORIO- Ensayos de Calentamiento-Enfriamiento: El ensayo consiste en someter a la roca a un choque trmico similar al que puede tener lugar en la naturaleza, a fin de prever las acciones originadas por las expansiones y contracciones que tienen lugar.El fenmeno suele tener mayor importancia en la parte ms superficial de los fragmentos de roca, transmitiendose, sucesivamente a su interior.

La baja conductividad trmica de la roca provoca una diferencia de temperatura hacia el interior de la misma, generando tensiones debido a la tendencia a dilatarse que sufre la superficie frente a la estabilidad que debe mostrar un ncleo. Esto produce fisuras paralelas a la superficie y la fragmentacin del material en capas.

LABORATORIOUna de las caractersticas fundamentales que intervienen en la alteracin producida por los ciclos de calentamiento-enfriamiento es la composicin mineralgica de la roca, las rocas formadas por un solo mineral, son menos alterables que las rocas formadas por varios, consecuencia de los coeficientes de dilatacin de cada uno de ellos. Este ensayo expresa el resultado como prdida de peso seco durante la realizacin del ensayo.

- Ensayo de hielo-deshielo: El ensayo trata de producir el efecto que tienen las heladas en las rocas saturadas que, al provocar un importante cambio de volumen en el agua, puede originar fracturaciones importantes en las mismas.LABORATORIOEl resultado del ensayo se obtiene a partir de la prdida de peso seco.

- Ensayo de cristalizacin de sales: la meteorabilidad de las rocas frente al efecto de la cristalizacin de sales se presenta generalmente cuanto existe una sal en solucin o una sal soluble formando parte de la roca y un gradiente de temperatura que produzca vaporacin.Este ensayo estudia el efecto que tiene, sobre la muestra de roca, el crecimiento de cristales de sales, existentes en las mismas.El resultado del ensayo se determina, como en todos los anteriores, a travs de la prdida en peso de los materiales ensayados.LABORATORIO- Ensayo de ataque de sulfatos: este ensayo junto con el anterior da diferentes resultados dependiendo de la naturaleza del medio de cristalizacin y del nmero de ciclos que se realicen. Tiene efectos significativos la forma, la porosidad y la permeabilidad de los fragmentos.Estos ensayos tienen la ventaja de que pueden utilizarse para medir el porcentaje de fragmentos friables que hay dentro de un conjunto, ms que para estimar el comportamiento general del mismo.El ensayo consiste en sumergir unos fragmentos de ciertas dimensiones en una solucin de sulfato sdico o magnsico durante un tiempo predeterminado y posteriormente secarlos en estufa a 100 grados, se recomienda realizar 5 ciclos.El efecto producido se determina a travs de la prdida de peso seco con respecto al inicial.LABORATORIOEl resultado del ensayo, depende del tamao y forma de los fragmentos elegidos para la realizacin del mismo, incrementndose las prdidas para los fragmentos de forma angular.

- Ensayo de inmersin: este ensayo estudia el comportamiento de las rocas frente a la accin del agua.Existen diferentes procedimientos para cuantificar el incremento de fisuracin producido por el debilitimiento de las rocas al aumentar su grado de saturacin. El ms utilizado, consiste en analizar la rapidez con la que tiene lugar el desmoronamiento de un fragmento de roca, una vez que se ha introducido en agua destilada.LABORATORIO- Ensayo de humedad sequedad desmoronamiento: este ensayo a dems de medir la humedad y la sequedad, mide el desmoronamiento sufrido de la muestra a medida que transcurre el ensayo. Se utiliza fundamentalmente para comprobar el comportamiento de rocas de origen arcilloso o limoso que a lo largo del tiempo pueden sufrir importantes transformaciones.El ensayo trata de medir la resistencia de la roca frente a la meteorizacin y desintegracin como resultado de realizar con el material dos ciclos de secado y agitacin en un bao de agua, la muestra se coloca en el interior de un tambor parcialmente sumergido en agua que gira alrededor de su eje.LABORATORIO- Ensayos que sirven para determinar la alterabilidad de las rocas debida a la accin de agentes qumicos: En la prctica existen alteraciones consideradas estrictamente qumicas, que tiene su origen, fundamentalmente, en la circulacin de aguas a travs de las distintas fisuras existentes en el macizo rocoso.Se producen procesos de hidratacin, es el mecanismo de alteracin debido al aumento de volumen experimentado por determinados minerales al incorporar molculas de agua a su composicin. El caso ms comn es la anhidrita (SO4Ca), que en presencia de agua se transforma en yeso, aumentando su volumen prcticamente al doble del inicial.En laboratorio, se determina la alteracin que provoca la presencia de sales hidratables, identificando y obteniendo la cantidad de sal presente para deducir el futuro comportamiento de la roca.LABORATORIOTambin se producen procesos de hidrlisis, la disolucin de algunos minerales, en las rocas yesferas el agua tiende a disolver el yeso, y en rocas sedimentarias se encuentran sales solubles.Otro proceso es el intercambio inico, el caso de los minerales silicatados, se transforman en arcillas. Los ensayos que determinan este tipo de alteraciones consiste en someter a las muestras a diferentes temperaturas e inmersin en agua, un determinado de veces, y luego se analizan sus componentes.

Los procesos de oxidacin y reduccin, un caso muy comn el que tiene lugar en los sulfuros (piritas), aparecen en rocas sedimentarias, generan colores oscuros, los sulfuros tienden a oxidarse formando sulfatos que desprenden cido sulfrico en una reaccin muy lenta, y asi se puede determinar el comportamiento futuro de la roca, muy importante en el campo de ingenieria civl.