Informe de Laboratorio Mecanica de Rocas II

Informe Laboratorio Mecánica de Rocas II

Informe de Laboratorio de Mecánica de Rocas II “ENSAYO A COMPRESIÓN UNIAXIAL DE LA ROCA”

CAMILO ANDRÉS FLÓREZ ESQUIVEL CÓD. 1180885 JUAN FERNANDO IBÁÑEZ RODRÍGUEZ CÓD. 1180869 ANGIE MARCELA BECERRA VELASCO CÓD. 1180523 TANIA ALEJANDRA RODRÍGUEZ TORRES CÓD. 1180612 JESSICA ANDREA RODRÍGUEZ TORRES CÓD. 1180597 JESUS DAVID MOSQUERA UCHIMA CÓD. 1181101

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE MINAS SAN JOSÉ DE CÚCUTA DICIEMBRE, 2016




Informe presentado como requisito para optar la tercera nota de la asignatura Mecánica de Rocas II

ING. JOSÉ AGUSTÍN VARGAS ROSAS Mecánica de Rocas II





Informe presentado como requisito para optar la tercera nota de la asignatura Mecánica de Rocas II

ING. JOSÉ AGUSTÍN VARGAS ROSAS Mecánica de Rocas II



3

TABLA DE CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 5 1.

RESUMEN .................................................................................................................................... 6

2.

OBJETIVOS ................................................................................................................................. 7

3.

2.1

OBJETIVO GENERAL........................... GENERAL..................................................... ..................................................... ..................................................... .......................... 7

2.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS. .................................................... .......................... ..................................................... ............................................ ................. 7

METODOLOGÍA ........................................................................................................................ 8 3.1

DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA. ................................................. ....................... .................................................... ................................... ......... 8

3.2

EQUIPOS UTILIZADOS. ................................................. ....................... ..................................................... ..................................................... .......................... 9

3.2.1

APARATO DE COMPRESIÓN. ................................................. ....................... .................................................... ................................... ......... 9

3.2.2

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN. ................................................... ......................... .................................................. ........................ 11

3.2.3

CRONÓMETRO..................................................... ......................... ..................................................... .................................................... .............................. 11

3.2.4

BALANZA..................................................... BALANZA.......................... ..................................................... .................................................... ..................................... ........... 11

3.3

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL DE LA ROCA................................... ROCA................ ................... 11

4.

RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................................... 15

5.

CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 41

BIBLIOGRAFÍA................................................... ......................... .................................................... ..................................................... ................................................... ........................ 42


4

LISTA DE FIGURAS

Pág

.

Figura 1. Prueba químico clásico…………………………………………………………………….. Figura 2. Dimensiones iniciales de la muestra……………………………………………………….. Figura 3. Muestra antes de ser fallada f allada………………………………………………………………... Figura 4. Máquina de ensayos universal hidráulica – Serie Serie IBMT4………………………................. Figura 5. Resistencia a la compresión perpendicular y paralelamente a los planos de discontinuidad………………………………………………………………………………................. Figura 6. Especímenes después de la falla en compresión simple…………………………................ Figura 7. Criterio de rotura Mohr-Coulomb………………………………………………………….. Figura 8. Línea de falla de la muestra………………………………………………………………... Figura 9. Medición del ángulo de falla =65º…………………………………………………………. Figura 10. Construcción del círculo de Mohr con los datos de la probeta…………………………… Figura 11. Representación de condiciones de esfuerzo según Hoek-Brown………………................ Figura 12. Línea de tendencia y cálculo del módulo de Elasticidad…………………………………. Figura 13. Medidas iniciales de la probeta…………………………………………………………… Figura 14. Medidas finales de la probeta…………………………………………………………….. Figura 15. Curva esfuerzo deformación completa…………………………………………................ Figura 16. Curvas esfuerzos vs Tiempo (velocidad)………………………………………................. Figura 17. Redistribución de esfuerzos en excavaciones vecinas…………………………................. Figura 18. Curva esfuerzo vs deformación afectados por el efecto escala…………………................ Figura 19. Influencia de la tamaño en una muestra de caliza………………………………................ Figura 20. Forma y borde de los granos de la roca…………………………………………............... Figura 21. Coeficiente de correlación para las propiedades petrográfica que influye en la resistencia ……………………………………………………………….................................. de la roca granular ……………………………………………………………… Figura 22. Comportamiento de la roca r oca (Resistencia)………………………………………………… Figura 23. Granulometría de la roca (Microscópica)………………………………………................ Figura 24. Resistencia de la roca matriz……………………………………………………………… Figura 25. Modelos de comportamiento esfuerzo-deformación……………………………………... Figura 26. Curva Esfuerzo-Deformación en la rotura………………………………………………... Figura 27. Curva Esfuerzo-Deformación en la post-rotura…………………………………………... Figura 28. Gráfico arrojado en el laboratorio………………………………………………………… Figura 29. Importancia de la rotura post-falla………………………………………………………... Figura 30. Curva de esfuerzo deformación para comportamiento dúctil bajo compresión compresión………….. Figura 31. Comportamiento de los mecanismos de rotura de la roca………………………………... Figura 32. Muestra de la roca fallada…………………………………………………………………

8 9 9 11 13 14 16 17 17 18 19 20 21 21 23 24 25 26 27 29 33 34 34 34 36 36 37 37 38 39 40 40

LISTA DE TABLAS

Pág Tabla I. Dimensiones de la muestra…………………………………………………………. 9 Tabla II. Especificaciones de la maquina…………………………………………………… 10 Tabla III. Datos obtenidos de la prueba de ensayo simple………………………………….. 15 Tabla IV. Características de comportamiento de los minerales……………………………... 31

.


5

INTRODUCCIÓN El comportamiento mecánico de las rocas está definido por su resistencia y su deformabilidad. La resistencia es el esfuerzo que soporta una roca para determinadas deformaciones. Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin confinar se denomina resistencia a compresión simple, y su valor se emplea para la clasificación geotécnica de las rocas. La resistencia es función de las fuerzas cohesivas y friccionales del material (además de otros valores extrínsecos al material rocoso). La cohesión, c, es la fuerza de unión entre las partículas minerales que forman la roca. El ángulo de fricción interna, Ø, es el ángulo de buzamiento entre dos planos de la misma roca. La resistencia de la roca no es un valor único, ya que además de los valores c y Ø, depende de otras condiciones, como la magnitud de los esfuerzos confinantes, la presencia de agua en los poros o la velocidad de aplicación de la carga de rotura. También, incluso en rocas aparentemente isótropas y homogéneas, los valores de c y Ø pueden variar según el grado de cementación o variaciones en la composición mineralógica. La mecánica de rocas se dedica al estudio de los efectos que producen las fuerzas sobre las rocas, es decir, se desarrolla sobre el análisis del sistema de cargas que se aplican al macizo rocoso. Este análisis de los efectos son internos desde el punto de vista de la tensión, deformación unitaria o de la energía almacenada. Finalmente la mecánica de rocas se dedica al estudio de las consecuencias de los efectos internos, es decir, fracturamiento, fluencia o simplemente la deformación de la roca. En la ingeniería de minas, la mecánica de rocas ha sido considerada tradicionalmente como un asunto ligado primordialmente a la seguridad, lo que es muy importante para la reducción de caída de rocas, evitando o minimizando los daños al personal y a los equipos, como también es influyente en los aspectos económicos de las operaciones mineras. Es por tanto que un laboratorio para ensayo de mecánica de rocas es importante como herramienta tecnológica dentro de un proceso para la toma de decisiones acertadas y el mejoramiento de la seguridad productividad y eficiencia de una mina.


6

1. RESUMEN El ensayo de la compresión uniaxial de la roca nos permite determinar en el laboratorio la resistencia uniaxial no confinada de la roca, o resistencia a la compresión simple, σc. Es un

ensayo para la clasificación de la roca por su resistencia. La relación entre los esfuerzos aplicados en el ensayo es: -

La resistencia a la compresión simple se determina sobre formas cilíndricas ya que es lo habitual para este tipo de ensayos. Las bases serán paralelas entre si y perpendiculares al eje de la probeta se rechazaran las probetas que presentan defectos evidentes. El paralelismo delas bases se debe comprobar realizando cuatro medidas de altura de la probeta equidistantes.

La máquina de ensayos será una prensa hidráulica o mecánica, que disponga de varias escalas de manera que se puede escoger la apropiada según el ensayo a realizar. Entre los platos de la prensa se situó el dispositivo de compresión, en el cual uno de los platos está montado sobre una rotula, con el fin de repartir de forma uniforme la carga. La probeta se ubica entre los platos de la prensa y a continuación se empieza a someter a un esfuerzo continuado de compresión con una velocidad de carga. El ensayo de compresión simple se realiza con el fin de determinar la resistencia o esfuerzo último de un suelo cohesivo a la compresión no confinada, mediante la aplicación de una carga axial con control de deformación y utilizando una muestra de suelo inalterada tallada en forma de cilindro, generalmente con una relación alto/diámetro igual a 2. Esta prueba tiene la ventaja de ser de fácil realización y de exigir equipo relativamente sencillo, en comparación con las pruebas triaxiales, si se desea ir al fondo de los mecanismos de falla que tienen lugar; por el contrario, los resultados de la prueba son de fácil aplicación a los trabajos de rutina, por lo menos en apariencia.


7

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL. Analizar la máxima resistencia a la compresión de una muestra de roca sometida a una carga axial, además de determinar los parámetros de caracterización geomecánica de la roca (cohesión, ángulo de fricción, resistencia a la compresión uniaxial, resistencia al corte, etc.).

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. -

Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el ensayo de compresión no confinada, aprendiendo las características de cada uno, y los cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia.

-

Proporcionar información sobre los procedimientos de cálculo y obtención de resultados del ensayo.

-

Determinar la resistencia a la compresión simple.

-

Definir adecuadamente el parámetro de resistencia “c”.

-

Interpretar debidamente el tipo de falla que sufrió el material conforme a sus características.

-

Comprender con exactitud la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e intervalos con los que será ensayada la muestra.

-

Construir el gráfico esfuerzo-deformación a partir de los datos obtenidos de la experiencia y de las fórmulas teóricas necesarias.

-

Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.


8

3. METODOLOGÍA 3.1 DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA. Litología: La muestra ensayada es caliza estas son rocas sedimentarias muy corrientes y variadas, compuestas principalmente por el mineral calcita. La caliza pura es blanca, gris, crema o amarilla, aunque son negra, marrones o rojas. En la muestra ensayada en el laboratorio era de color gris con grano fino y grueso. Este tipo de roca se compone de restos de animales o plantas. Mineralogía de la muestra: La calcita es el principal mineral constituyente de las calizas. Las calizas pueden contener dolomita, CaMg (C.), pero su origen suele estar en un reemplazamiento de la calcita original. La calcita se presenta en numerosas rocas metamórficas y es la principal minera de los mármoles. También se la encuentra en algunas rocas ígneas y es el principal componente el grupo de las carbonatitas.

Propiedades físicas de la calcita: Exfoliación: romboedral perfecta, observable aun en los agregados granulares pero si estos son muy finos el mineral puede mostrar fractura, desdé irregular hasta concoidea plana. Es frágil. Dureza: 3 (aproximadamente 2,7 sobre el pinacoide base de 3,5 sobre el romboedro de primer orden positivo). Peso específico: 2,72. ⁄ Brillo: desde vítreo hasta mate puede ser hasta perlado. Test químico clásico: Muchos métodos pueden emplearse para distinguir la dolomita de la calcita; mencionaremos en este caso solamente el test químico clásico por el cual la calcita se disuelve con efervescencia en ácido clorhídrico diluido, mientras que para la dolomita esta reacción es mucho más lenta, salvo que dicho ácido se caliente. Como se puede observar en la imagen la muestra reacciona con efervescencia, esto comprueba que la muestra pertenece al grupo mineralógico de carbonatos los cuales son compuestos en los cuales uno o más elementos metálicos o semimetálicos Figura 1. Prueba químico clásico se combinan con el carbonato más común calcita.


9 Tabla I. Dimensiones de la muestra

Hi(mm) Diámetro superior (mm) Diámetro centro (mm) Diámetro inferior (mm) Diámetro promedio (mm) Peso de la muestra grs Carga en kg Carga en KN

112.08 51.33 51.35 51.29 51.32 614.5 8813.44 86.43 Figura 2. Dimensiones iniciales de la muestra

Figura 3. Muestra antes de ser fallada

3.2 EQUIPOS UTILIZADOS. 3.2.1

APARATO DE COMPRESIÓN.

Diseño flexible que permite adaptarse a las necesidades de su ensayo de materiales. Su capacidad de ensayo de hasta 3000 kN posibilita el ensayo de probetas de materiales alta resistencia y grandes dimensiones. El concepto optimizado de su diseño minimiza la posible aparición de problemas y facilita su instalación y actuaciones de mantenimiento preventivo y/o correctivo. Se trata de una máquina de ensayo ideal para ensayos de tracción sobre materiales metálicos. Cumple las exigencias de las principales normas de ensayos a nivel internacional como ISO 6892 o ASTM E23 además de la legislación vigente en materia de seguridad de máquinas.


10

-

Ventajas para su ensayo de materiales . Funcionamiento 100% automático, con control de movimiento del cilindro mediante servoválvula, que asegura la mejor precisión en el ensayo. Cabezales hidráulicos para la máxima seguridad en el amarre de la probeta. Total adaptación a las necesidades del cliente. Dimensiones configurables conservando máximos criterios de rigidez. Posibilidad de equipar con varias células de carga intercambiables. Permite control de la velocidad de ensayo en fuerza, desplazamiento y deformación. Tabla II. Especificaciones de la maquina

El aparato de compresión puede ser una báscula de plataforma equipada con un marco de carga activado con un gato de tornillo, o con un mecanismo de carga hidráulica, o cualquier otro instrumento de compresión con suficiente capacidad de control para proporcionar la velocidad de carga. En lugar de la báscula de plataforma es común que la carga sea medida con un anillo o una celda de carga fijada al marco. La máquina de ensayos será una prensa hidráulica o mecánica, que disponga de varias escalas de manera que se pueda escoger la apropiada, según el valor medio del ensayo a efectuar, de forma que ningún resultado individual quede por debajo de la décima parte del valor máximo de la gama de medida empleada. Debe permitir la aplicación de la carga de una manera continua y progresiva. Entre los platos de la prensa se situará el dispositivo de compresión, en el cual uno de los platos de presión estará montado sobre una rótula, con el fin de repartir de forma uniforme la carga y adaptarse al posible no paralelismo de las bases.


11

Figura 4. Máquina de ensayos universal hidráulica – Serie IBMT4 3.2.2

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.

Micrómetro, u otro instrumento adecuado para medir las dimensiones físicas del espécimen dentro del 0,1% de la dimensión medida. Los pie de metro o calibradores Vernier no son recomendados para especímenes blandos que se deformaran a medida que los calibradores se colocan sobre el espécimen. 3.2.3

CRONÓMETRO.

Un instrumento de medición de tiempo, que indique el tiempo transcurrido con una precisión de 1 seg para controlar la velocidad de aplicación de deformación prescrita anteriormente. 3.2.4

BALANZA.

La balanza usada para pesar los especímenes, debe determinar su masa con una precisión de 0,1% de su masa total.

3.3 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL DE LA ROCA. La resistencia a la compresión uniaxial (UCS) es el esfuerzo de compresión axial máximo que puede tolerar una muestra cilíndrica recta de material antes de fracturarse. Se conoce también como la resistencia a la compresión no confinada de un material porque el esfuerzo de confinamiento se fija en cero.


12

El ensayo de compresión no confinada, también conocido con el nombre de ensayo de compresión simple o ensayo de compresión uniaxial, es muy importante en Mecánica de Rocas, ya que permite obtener un valor de carga última de la roca, se relaciona con la resistencia al corte de la roca y entrega un valor de carga que puede utilizarse en proyectos que no requieran de un valor más preciso, ya que entrega un resultado conservador. Este método de ensayo es aplicable solo a materiales cohesivos que no expulsan agua durante la etapa de carga del ensayo y que mantienen su resistencia intrínseca después de remover las presiones de confinamiento, como las arcillas o los suelos cementados. Este ensayo permite determinar en el laboratorio la resistencia uniaxial no confinada de la roca, o resistencia a la compresión simple, σc, es un ensayo para la clasificación de la roca por su resistencia. La relación entre los esfuerzos aplicados en el ensayo es:

  

En este ensayo se deben cumplir las siguientes condiciones: Razón Largo/Ancho de la probeta debe ser 2.5 a 3.0:1 Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas. Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamaño medio del grano.

El ensayo trata de la aplicación gradual de una fuerza axial a un cilindro de roca, hasta que se produce su rotura, los datos obtenidos son: σ1 obtenido del ensayo, σ2, σ3. Con estos datos se puede obtener σc (resistencia a la compresión simple)

Tipos de rotura. En un ensayo de compresión simple se pueden producir distintos tipos de rotura, los cuales son la rotura frágil y la rotura dúctil. Predominan las grietas paralelas a la dirección de la carga, y la rotura ocurre de un modo brusco y bajo deformaciones muy pequeñas, presentándose después de ella un desmoronamiento de la resistencia. Se limita a deformarse, sin que aparezcan zonas de discontinuidad en ella. De forma intermedia, la rotura se produce a través de un plano inclinado, apareciendo un pico en la resistencia y un valor residual. En una probeta sometida a compresión simple también se pueden producir tracciones locales en el contorno de las fisuras, especialmente sobre planos paralelos a la dirección de la compresión. Esto explica la aparición de grietas verticales. En suelos blandos sometidos a presiones no muy altas, la rotura dúctil se presenta bajo la forma de un ensanchamiento solo por el centro, ya que por los extremos lo impide la fricción entre el suelo y las placas de carga.


13

Resistencia a la compresión. La forma de la rotura varía con la naturaleza de la roca y forma de la probeta. Las rocas duras y compactas se rompen, dividiéndose en prismas rectos de sección irregular, siendo sus generatrices paralelas al sentido de los esfuerzos, y a veces salen proyectados con gran violencia, siendo conveniente rodear los platillos con una tela metálica. Las rocas blandas se rompen según planos que pasan por las aristas de las bases, formando un ángulo menor de 50 ° con la dirección de la presión, desprendiéndose prismas truncados. Las probetas cilíndricas o prismáticas se rompen por resbalamiento sobre un plano oblicuo, formando un ángulo aproximadamente de 45° con la dirección de los esfuerzos. En el caso de rocas anisótropas con planos de sedimentación o esquistosidad, se deben hacer dos determinaciones de la resistencia a compresión simple, una en la dirección perpendicular a estos planos y otra en la dirección paralela a estos planos.

Figura 5. Resistencia a la compresión perpendicular y paralelamente a los planos de discontinuidad

Procedimiento. El ensayo de compresión simple se realiza siguiendo el método dado a continuación: Obtención y preparación de muestras. - Se extrae muestra del suelo lo más inalterada posible de un tamaño suficiente para poder trasportarla al laboratorio sin que esta se desintegre y no se produzcan grietas internas que puedan alterar los resultados del ensayo. - Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquier alteración, cambios en la sección transversal y evitándose cualquier cambio en el contenido de agua del suelo.


14

Preparación de la probeta. - Los especímenes deben tener una sección transversal circular con sus extremos perpendiculares al eje longitudinal de la muestra. Además deben tener un diámetro mínimo de 30 mm y la partícula mayor contenida dentro del espécimen de ensayo debe ser menor que 1/10 del diámetro del espécimen. La relación de altura a diámetro debe encontrarse entre 2 y 2,5. - Se talla la muestra de tal manera que la altura sea el doble del diámetro, este tallado se realiza de forma muy cuidadosa, en lo posible tratando que el material no se agriete en el tallado, realizado con un cuchillo. - El tamaño de la probeta se mide con un molde, de esta manera se llega a una probeta bien tallada cumpliendo con la condiciones anteriormente mencionadas, y se determina la altura promedio y el diámetro de la muestra para el ensayo utilizando los instrumentos especificados anteriormente. Metodología. - Se coloca el espécimen en el aparato de carga de tal manera que quede centrado en la platina inferior. Se ajusta el instrumento de carga cuidadosamente de tal manera que la platina superior apenas haga contacto con el espécimen. Se coloca en cero el indicador de deformación. - Se aplica la carga de tal manera que se produzca una deformación axial a razón de 0,05 plg/min. - Se registran los valores de carga, deformación y tiempo, del anillo de deformaciones y del anillo de cargas (0,0001”) a intervalos suficientes para definir la curva esfuerzodeformación. - Se continua aplicando carga hasta que los valores de carga decrezcan al aumentar la deformación o hasta que se alcance una deformación igual a 0,2. - Finalmente, se confecciona un croquis de la probeta posterior al ensayo.

Figura 6. Especímenes después de la falla en compresión simple


15

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS Deformación (mm)

Tabla III. Datos obtenidos de la prueba de ensayo simple Carga Carga Área Corregida (%) (kn) Axial (kg) (cm2)

Esfuerzo (kg/cm2)

0

0,00

0

0,000

0,00

0,00

0,00

0,06

5,00

509,86

20,696

0,00

0,05

24,64

0,11

10,00

1019,72

20,706

0,00

0,10

49,25

0,15

15,00

1529,58

20,713

0,00

0,13

73,85

0,18

20,00

2039,44

20,719

0,00

0,16

98,43

0,22

25,00

2549,30

20,726

0,00

0,20

123,00

0,25

30,00

3059,16

20,732

0,00

0,22

147,56

0,28

35,00

3569,02

20,737

0,00

0,25

172,11

0,31

40,00

4078,88

20,742

0,00

0,27

196,65

0,33 0,35 0,37

44,00 48,00 52,00

4486,77 4894,66 5302,54

20,746 20,750 20,754

0,00 0,00 0,00

0,29 0,31 0,33

216,27 235,89 255,50

0,40

56,00

5710,43

20,759

0,00

0,35

275,08

0,42

60,00

6118,32

20,763

0,00

0,37

294,67

0,44 0,46 0,51

64,00 68,00 72,00

6526,21 6934,10 7341,98

20,767 20,770 20,780

0,00 0,00 0,00

0,39 0,41 0,45

314,26 333,85 353,32

0,53

76,00

7749,87

20,783

0,00

0,47

372,89

0,64

80,00

8157,76

20,804

0,00

0,57

392,12

0,67

84,00

8565,65

20,810

0,00

0,60

411,62

0,00

86,43

8813,44

20,685

0,00

0,00

426,07

1) Calculo de los parámetros de resistencia y deformabilidad de la roca ensayada (criterios Mohr Coulomb y Hoek and Brown). Criterio de rotura de Mohr-Coulomb: Este criterio expresa la resistencia al corte a lo largo de un plano en un estado triaxial de tensiones, obteniéndose la relación entre los esfuerzos normal y tangencial actuantes en el momento de la rotura mediante la expresión matemática:


16

Siendo:                  ℎó ∅    ó  Para poder determinar los parámetros de resistencia se tiene en cuenta lo expresado en la siguiente figura:

Figura 7. Criterio de rotura Mohr-Coulomb

Esta figura representa el estado de tensiones según el criterio de Mohr-Coulomb, sin embargo, cuando se hacen pruebas de resistencia a la compresión inconfinada (RCI)   0, ya que sólo se aplica una fuerza de manera axial y   . Los parámetros de resistencia son conocidos como la Cohesión y el Ángulo de fricción interna. Para hallar la cohesión hay que aplicar las bases del círculo de Mohr, para lo cual debe graficarse, sin embargo, hay que tener un ángulo de falla de la muestra ensayada en el laboratorio, y para nuestro caso se presenta de la siguiente manera:


17

Figura 8. Línea de falla de la muestra

Figura 9. Medición del ángulo de falla =65º

Se midió el ángulo con el que falló la probeta cuando se le aplicó la carga máxima, y se obtuvo un ángulo de falla de falla ∝ = 65º. Aplicando la siguiente relación:

 ∝ º + ∅ Despejando:

∅   ∝  º Reemplazando valores:

∅  2(65)  90º ∅    º Ángulo de fricción de la probeta Para poder hallar el segundo parámetro de resistencia, o sea la cohesión, procedemos a aplicar el círculo de Mohr, teniendo en cuenta que la esfuerzo al que falló la muestra fue de 426.07 Kg/cm2 ó 43.43 Mpa, se toma como la resistencia a la compresión inconfinada de la probeta (RCI). Con un:   RCI= 43,43 Mpa    , ∅º ∝ = 65º


18

Figura 10. Construcción del círculo de Mohr con los datos de la probeta.

Midiendo a escala se obtiene una Cohesión de 11,2 Mpa. Parámetros de resistencia:

∅  º   ,   El criterio de Hoek-Brown es un criterio de rotura no lineal para evaluar la resistencia de la matriz rocosa a condiciones triaxiales:

Dónde σ1, y σ3 son los esfuerzos principales mayor y menor en rotura, σci es la resistencia

a compresión simple de la matriz rocosa y m; es una constante que depende de las propiedades de la matriz rocosa. Tal como el criterio de Mohr, para una prueba de compresión simple, σ3 = 0.


19

Figura 11. Representación de condiciones de esfuerzo según Hoek-Brown

-

Para calcular los parámetros de deformabilidad los cuáles son: El módulo Elástico o módulo de Young (E). Coeficiente de Poisson ( ).

El módulo de Young (E), define la relación lineal elástica entre el esfuerzo aplicado y la deformación producida en dirección de la aplicación del esfuerzo, y el coeficiente de Poisson ( ), define la relación entre la deformación diametral y longitudial. Una roca dura con comportamiento frágil presenta mayor módulo de Young y menor coeficiente de Poisson que una roca blanda con comportamiento dúctil. Para el caso del cálculo del módeulo de elasticidad, se tiene en cuenta los datos tabulados al principio y se procede a calcular haciendo una regresión lineal para los primeros puntos se encuentra el módulo de deformación para la muestra de roca como sigue:



∆  9409.55 ∆

  .   En lo que respecta al ensayo realizado por nosotros, después de llevar a cabo todos los procedimientos señalados en un apartado anterior, y luego del procesamiento de los datos


20

obtenidos en las mediciones, podemos construir el grafico esfuerzo-deformación, que representa el comportamiento del suelo sometido a cargas en progresivo aumento

Figura 12. Línea de tendencia y cálculo del módulo de Elasticidad

Para el cálculo del coeficiente de Poisson (), se relaciona la deformación en el sentido longitudinal y en el diametral. Para el caso nuestro.

    

 

 

112.08  111.52  . − 112.08

     

54.96  51.32  0.071 51.32

1. . −  . 

  . 


21

m m 8 0 . 2 1 1

m m 2 5 . 1 1 1

= o L

= f L

Do = 51.32 mm Figura 13. Medidas iniciales de la probeta

Df = 54.96 mm Figura 14. Medidas finales de la probeta

2) ¿Cómo influyen los parámetros de resistencia y deformabilidad de la roca ensayada en el diseño minero? Los parámetros de resistencia y deformabilidad influyen enormemente en el diseño minero, ya que en base a ellos se diseñan clasificaciones geomecánicas que ayudan a caracterizar todo un macizo rocoso. Todos estos parámetros nos muestran cómo se comporta el macizo en el que se está trabajando o se trabajará, por lo que hay que tener muy bien presente sus valores para no cometer equivocaciones. Por ejemplo, para el caso de la resistencia uniaxial (RCI), es un valor que se toma casi que en todos los diseños en minería como un referente de la calidad (en cuánto a resistencia se refiere) de la roca en la que se trabaja. Se usa desde la caracterización geotécnica cómo en el RMR, hasta para el diseño de pilares y el sostenimiento de las minas. Para este último caso hay que hacer un énfasis especial, ya que por lo general se comete el error de calcular las fuerzas actuantes del macizo rocoso sobre la excavación con la resistencia a la comprensión inconfinada (RCI), un dato bastante erróneo ya que este valor es límite de esfuerzo que soporta una muestra de roca antes de fallar, por tanto, para tener seguridad no se puede trabajar con ese valor, ya que se estaría trabajando con un factor de estabilidad bastante engañoso, poniendo en riesgo la vida de los trabajadores y hasta la de uno mismo. Lo más correcto sería trabajar con el valor de fluencia o cedencia, que es el rango dónde la roca pasa de un estado elástico a uno elastoplástico, por tanto es dónde la roca tiene mayores deformaciones sin llegarse a romperse. Para el caso de la roca ensayada se muestra claramente en el gráfico siguiente la alta rigidez que presenta, esto debido al también alto módulo de elasticidad que presentó


22 ∆

  ∆  6488.18 Mpa

  . 

Figura 15. Curva esfuerzo deformación completa

3) ¿Cómo influye la velocidad de carga en la resistencia de la roca y como se aplica esta en el diseño minero? La resistencia de las rocas es una propiedad que depende del tiempo. Considerando este factor, por una parte se tiene que la magnitud de la tensión que ocasiona la rotura, desciende exponencialmente a un valor límite cuando el tiempo tiende a infinito. Por otra parte está la capacidad de la roca de soportar una tensión mayor pero durante un corto espacio de tiempo, siendo éste, por ejemplo, el tiempo de paso de la onda de tensión producida por una voladura. Al realizar en el laboratorio el ensayo de compresión simple, normalmente no se está en ninguna de estas dos situaciones límite, sino en una intermedia. El ensayo se realiza aplicando la carga sobre la muestra de una forma progresiva, partiendo de cero; estudiando una serie de ensayos llevados a cabo con distintas velocidades de aplicación de la carga, se observan distintos valores para la resistencia de la roca. De esto se desprende que es necesario normalizar el proceso, lo cual se puede conseguir normalizando o bien la velocidad de carga o la velocidad de deformación. En un material elástico, ambas velocidades son iguales, pero para la mayoría de las rocas esta propiedad no se cumple. En una serie de ensayos llevados a cabo en granito de Westerley, se ha recogido la información referente a la. Influencia de la velocidad de carga sobre la resistencia a la


23

compresión triaxial de la roca y se ha llegado a la conclusión de que la resistencia puede descender hasta un 50 por ciento disminuyendo la velocidad de carga en 4 órdenes de magnitud. En general, al ser más rápida la aplicación de la carga, muestra de roca ensayada será más resistente. Normalmente las velocidades de aplicación de las cargas que aparecen en minas subterráneas no alcanzan el límite a partir del cual habría que tener en cuenta los efectos producidos por dichas velocidades. El hecho de que se produzca una disminución de la resistencia de la roca al disminuir la velocidad de aplicación de la carga. Al disminuir la velocidad de aplicación de la carga, también disminuye la velocidad de deslizamiento de las superficies de las microfisuras ya cerradas, con lo cual aumenta su resistencia a la fricción y como consecuencia de ello, aumenta la concentración de tensiones en los extremos de las microfisuras. De este modo la propagación de las microfisuras es más rápida, haciendo que la resistencia de la roca sea menor. También puede observarse que la variación de la resistencia a la fricción se hace más acusada cuando aumentan las tensiones normales o laterales. Teniendo en cuenta las formulas tanto de resistencia de un pilar como el factor de carga se puede llegar a un método el cual la velocidad de carga se puede llegar a influenciar en un diseño minero ejemplo para un factor de seguridad en un método de explotación por cámaras y pilares

=  

   

   

Despejo F de 1.

   .  Remplazando 4 en 2

  Remplazo 5 en 3

. 

    . 

DESPEJO de 6  :

 

. .  


24

Figura 16. Curvas esfuerzos vs Tiempo (velocidad)

4) ¿Cómo se puede apreciar el comportamiento a la fluencia y relajación de una excavación subterránea que ha permanecido sometida al fenómeno de la acción dinámica de la roca como consecuencias de explotaciones vecinas? Al hacer una excavación en roca se genera una redistribución del estado de tensiones y la acumulación de energía elástica en el macizo rocoso. Eventualmente, el nuevo estado de tensiones puede producir la brusca rotura de un cierto volumen de roca, con la consecuente liberación de la energía acumulada. La repentina liberación de energía almacenada puede generar eventos sísmicos de magnitud suficiente para producir daños en las labores subterráneas. Se encontró que al considerar el efecto de la fluencia lenta, la cantidad de energía almacenada en el macizo rocoso y que puede liberarse repentinamente (en menos de 0,2s) en forma de un evento sísmico, depende no solamente del volumen excavado, sino que también de la velocidad de propagación de la cavidad, la que se correlacionó con la velocidad de extracción. Sin embargo, para un mismo volumen extraído, la cantidad total de energía elástica liberada resultó prácticamente constante, independiente de la velocidad de extracción. Alrededor del mundo muchas minas son explotadas por métodos subterráneos y a rajo abierto. Este sistema permite extraer una mayor porción de la reserva del yacimiento, lo que no sería posible al explotar con métodos subterráneos, solamente. Cuando una mina subterránea es desarrollada debajo de un rajo abierto, es posible que las vibraciones producidas por tronaduras superficiales dañen las excavaciones subterráneas. Se debe dar prioridad a los aspectos de las vibraciones y al mecanismo del daño por tronadura y la influencia de la calidad de la roca en la severidad del deterioro, mientras se estudian las características del daño.


25

El modo de daño, grietas, caída de roca, etc., y la severidad del deterioro son influenciados principalmente por la magnitud de las vibraciones en la vecindad de las excavaciones y la calidad de la roca donde está presente. El daño del macizo rocoso puede atribuirse a diferentes procesos (Raina, Chakraborty, Ramulu and Jethwa, 2000): Daño inherente originado por movimientos tectónicos o debido a la presencia de discontinuidades, fracturas o fallas de variadas dimensiones. Minería inducida, por ejemplo la redistribución de esfuerzos debido a excavaciones y explosiones. 



El daño del macizo rocoso es cualquier deterioro de la resistencia del macizo rocoso debido a la presencia de fracturas nuevas o extendidas, aberturas y/o cortes a lo largo de grietas y discontinuidades que pueden ser causadas por cualquiera de los procesos mencionados. Las vibraciones inducidas por tronadura causan daño dependiendo del nivel de energía que poseen. Tales niveles de energía se pueden medir mediante el desplazamiento, velocidad, aceleración y frecuencia de las vibraciones. La velocidad de partícula máxima se define como la mayor velocidad de la partícula en su posición cuando pasa la onda de detonación. Pal Roy (2005) clasificó el daño por vibraciones observado en dos categorías mostradas a continuación: Daño Menor: caracterizada por nuevas grietas y una caída menor de rocas en un rango de PPV de entre 200 a 400 mm/s. Daño Mayor: caracterizado por fracturas severas, caída mayor de rocas y colapso de túneles en un rango de PPV mayor a 400 mm/s. 



Cuando se excava una cámara subterránea en un macizo rocoso, los esfuerzos en las vecindades de la nueva excavación son redistribuidos. Tres esfuerzos principales actúan sobre el macizo rocoso σ1, σ2, y σ3 siendo sigma 1 y sigma 3 el mayor y menor esfuerzo

respectivamente. La convención utilizada para la interpretación de los esfuerzos es compresión para stresses positivos y tracción para esfuerzos negativos.

Figura 17. Redistribución de esfuerzos en excavaciones vecinas


26

5) ¿Cómo influye el tamaño de la muestra sobre su resistencia y como se aplica en el diseño minero? El tamaño de la muestra es muy importante. En suelos residuales el tamaño de la muestra puede determinar el valor de la resistencia obtenida en el ensayo. La dimensión mínima de la muestra a ensayar debe ser al menos seis veces el tamaño máximo de partícula contenido en ella. Entre más grande la muestra, esta podría ser de mejor calidad. El efecto escala corresponde a una disminución de la resistencia y propiedades de deformación de la roca a medida que se incrementa el volumen del espécimen. Este efecto es causado por la mayor probabilidad de encontrar estructuras y defectos en la roca. Las principales técnicas de modelamiento numérico no incluyen este fenómeno en sus simulaciones, lo que motiva a investigar metodologías que permitan replicar tal efecto. Este efecto está relacionado a la naturaleza discontinua de los macizos rocosos. Las propiedades y resistencias están ligadas directamente con las uniones y estructuras de origen geológico que estén presentes. Normalmente las muestras de laboratorio son mucho más pequeñas que los bloques de roca intacta en un macizo rocoso, no incluyendo muchas veces estructuras que afectan la resistencia de la muestra. Por esta razón, las propiedades de material intacto en una muestra de SRM deben reflejar la escala del bloque promedio y no las de una muestra.

Figura 18. Curva esfuerzo vs deformación afectados por el efecto escala

Para ver la influencia del tamaño sobre la resistencia a compresión simple de la probeta, se realizan una serie de ensayos con probetas de forma constante, es decir, li'/h constante, donde "W" es la anchura de la probeta y "h" su altura. En primer lugar, se realizan los ensayos sobre probetas cúbicas de lado h. Se somete a compresión simple una serie de probetas cúbicas de distintos tamaños, obtenidas de la mina en las mismas condiciones y suponiendo que todos los ensayos se realizan con las mismas características (prensa, velocidad de carga, etc.). Del resultado de los ensayos se deduce que


27

En otras ecuaciones se relaciona la resistencia a compresión simple de las muestras con su peso. También se han encontrado relaciones entre la resistencia a compresión uniaxial de una roca y el cociente entre el volumen de la probeta y el de otra de anchura unidad (Coates).

Figura 19. Influencia de la tamaño en una muestra de caliza

Cuanto mayor sea el tamaño de grano de la roca que se va a ensayar, mayor debe ser el diámetro de la probeta. En muchas investigaciones se ha llegado a la conclusión de que el tamaño de las roturas internas definidas por Griffith en el mecanismo de fractura es del mismo orden que el tamaño de grano del material. Teniendo en cuenta esta suposición, se aconseja que la relación entre los diámetros de la muestra a ensayar y el tamaño de grano sea como mínimo 10 ∕ 1 e, incluso, 20 ∕ 1.

En segundo lugar, se ensayan, en las mismas condiciones que en el caso anterior, una serie de prismas de base cuadrada y de distintos tamaños (la forma es constante, es decir. Así resulta:

Las ecuaciones anteriores difieren solamente en la constante K La única variable es el tamaño. Por consiguiente (1/W) °1 indica el efecto del tamaño sobre la resistencia a compresión simple de la probeta, a, Como la influencia del tamaño es la misma en ambos casos, cualquier forma de probeta se verá influenciada por el tamaño según (1/W)`1. Por consiguiente, al aumentar el tamaño de la probeta, disminuye su resistencia. Esto se explica debido a que la rotura se origina como resultado de una extensión progresiva de las microfisuras internas del material; al aumentar el tamaño de la probeta, aumentan las probabilidades de que exista una


28

microfisura de tamaño y orientación críticas que haga que se desarrolle la fisuración con más facilidad.

-

Efectos de escala. Naturaleza discontinua del macizo rocoso Resistencia y propiedades de deformación del macizo dependen de las propiedades de la roca intacta y de las discontinuidades Perforación  depende de propiedades de roca intacta Excavación de túnel  depende del comportamiento del sistema de fracturas Pilar  comportamiento seudo-continuo Dificultad para testear macizo rocoso

6) ¿Cómo influye el tamaño del grano sobre la resistencia de la roca? El grano es la estructura de una roca formada por pequeños elementos perceptibles a simple vista. Cada uno de estos elementos es un grano. Los objetos sólidos suficientemente grandes para ser visibles y manipulables están raramente compuestos por un monocristal, exceptuando unos cuantos casos (gemas, monocristales de silicio para la industria electrónica y ciertas fibras). Casi todos los materiales son policristalinos, están hechos de un gran número de monocristales (granos) unidos entre sí por delgados estratos de sólido amorfo. El tamaño del grano puede variar desde unos pocos nanómetros a varios milímetros. Existen rocas de grano fino, de grano medio y de grano grueso. La mayoría de las veces una roca de grano fino es de origen sedimentario. Las enormes rocas de grano grueso tienen un proceso de formación muy lento, mientras que las rocas de grano fino se forman más rápido (en una escala de tiempo geológico).Si una roca se forma muy rápidamente, como la solidificación de la lava expulsada por un volcán, puede no poseer ningún grano. Algunas propiedades son: - A mayor (>) tamaño de grano, menor conductividad eléctrica pues el borde de grano impide el movimiento de los electrones. - A menor tamaño de grano, mayor resistencia mecánica, pues las dislocaciones tendrán menor movilidad al estar impedido su movimiento. Los límites de grano "anclan" las dislocaciones impidiendo su movimiento, por tanto un mono cristal resistirá mejor la tracción que un policristal realiza. Los sedimentos de grano fino son más susceptibles a la descomposición en tasas más altas que los materiales sedimentarios de grano grueso. A la inversa, aunque existen salvedades, las muestras de grano grueso pueden soportar cargas de compresión uniaxial más altas. La razón


29

probable de esto es que el número de contactos de grano a grano es mayor para las muestras de grano fino. Por lo tanto, la fuerza externa aplicada se distribuye sobre una superficie de contacto más grande. Y sabiendo que el esfuerzo es inversamente proporcional al área, se puede estimar esta variación de resistencia. El tamaño del grano influye así mismo de forma importante en la resistencia mecánica y química. Los granos gruesos dan mayor resistencia a esfuerzos de compresión pero, al ser menos compacto y adherentes, la resistencia a la tracción es menor que en los de grano fino, más compactos y de partículas mejor adheridas, con lo que también se comportan mejor a la abrasión. Físicamente los de grano grueso son más fáciles de separar por posible heroicidad del agua en el interior de la roca, aunque la porosidad es muy reducida en todos los granitos. Aunque no puede generalizarse el efecto del tamaño de grano, puede decirse que, en general, la resistencia a la compresión aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano de los materiales, a igualdad de otras variables como composición mineral, estructura, porosidad, cementación, etc.

7) ¿Cómo influye forma y borde del grano sobre la resistencia de la roca? Las rocas de granos redondeados son más duraderas porque los cristales o granos con bordes afilados están expuestos a un mayor grado de abrasión durante la prueba de durabilidad del sedimento, lo que da como resultado índices de durabilidad (Index Slake Durability) más bajos. De forma similar, los esfuerzos se concentrarán a lo largo de los bordes del grano en la prueba de compresión uniaxial. Sin embargo, dependiendo del grado de unión entre los granos, dichas partículas de forma angular pueden proporcionar una gran cantidad de entrelazado aumentando con ello la resistencia a la compresión. Varios investigadores informaron correlación positiva entre la fuerza de compresión uniaxial y el porcentaje de granos angulares. Asumiendo propiedades como la mineralogía de granos y cemento y el grado de unión son los mismos, la roca de granos angulares debe ser más fuerte y más dura (debido a un mejor entrelazamiento de los granos), pero menos duradera (debido al mayor grado de erosión) que una roca compuesta de granos redondeados.

Figura 20. Forma y borde de los granos de la roca


30

8) Diferencias entre resistencia, durabilidad y dureza de las rocas. RESISTENCIA La resistencia a la compresión es la carga (o peso) por unidad de área a la que el material falla por fracturación por cizalla o extensional. Esta propiedad es muy importante en la mecánica de materiales, tanto en situación no confinada como confinada.

DURABILIDAD La durabilidad es la resistencia ante el cambio de las propiedades de la roca matriz por exfoliación, hidratación, fluencia, disolución, oxidación, abrasión y otros procesos. − Métodos indirectos, basados en

Dado que los materiales cerca 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 se mide en una prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor aplicado sobre una probeta de material en una dirección del espacio, y la deformación lineal inducida en esa misma dirección.

deducir la durabilidad de una roca a partir de sus características petrofísicas y de los factores ambientales que actúan sobre ella. Se fundamentan en el conocimiento que se tiene de la alteración de los distintos materiales en los diferentes ambientes, es decir en la experiencia acumulada en este ámbito de trabajo.

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

− Ensayos

DUREZA Depende de la composición mineralógica y del grado de alteración (escala de Mohs) Esta propiedad es vectorial, es decir, depende de la dirección en que se aplique en un mineral, debido a la diferente distribución de enlaces cristalinos en las estructuras minerales. En general, los minerales presentan durezas más bajas en superficies de exfoliación respecto de otras direcciones.

experimentales,

cuando los materiales se someten a procesos de alteración, bajo la acción de diferentes factores ambientales: naturales o del material para resistir fuerzas “tirantes”, artificiales. Estos ensayos se depende de la resistencia de los minerales, del conocen como "ensayos de área interfacial entre granos en contacto y del durabilidad” y tratan de alterar cemento intergranular e intragranular. las rocas en el laboratorio de forma artificial, es decir, son La norma ASTM D2936 regula los métodos y “ensayos de envejecimiento condiciones experimentales este ensayo. artificial acelerado”.

9) ¿Cómo afecta la mineralogía de los granos de roca la resistencia de la roca? El interés del ingeniero por la composición mineral e las rocas se sitúa en dos aspectos generales de su interés. La dureza de los minerales. Si la mayoría de los minerales son duros y resistentes, (con calcita, cuarzo o feldespato por ejemplo), las rocas son muy resistentes y poco deformables. Rocas de ese tipo se deforman muy poco cuando se someten a carga y fallan súbitamente. Si la roca posee solo minerales débiles (micas, arcillas) cuando se somete a carga se


31

comporta débilmente y su resistencia es baja. El carácter de muchos minerales conduce a múltiples comportamientos. Algunos minerales muestran comportamientos especiales: abrasivos (cuarzo); expansivos (montmorillonita); desleíbles (clorita, sericita); solubles (caliza). Otros reaccionan de manera desfavorable frente al clima: las rocas cristalinas básicas son más susceptibles que las rocas cristalinas ácidas. Otros reaccionan o se comportan desfavorablemente frente a ciertas solicitaciones: el cuarzo repele al asfalto en los pavimentos y no liga bien en esas estructuras; la sílice amorfa reacciona con los álcalis de los cementos deteriorando los concretos. En la tabla se destacan algunas características de comportamiento de los minerales en ingeniería. Tabla IV. Características de comportamiento de los minerales

Debido a su abundancia como mineral formador de roca, la mayoría de las correlaciones establecidas por investigadores previos consideran el contenido de cuarzo solo. Aunque algunos investigadores encontraron una relación negativa entre el contenido de cuarzo y la resistencia a la compresión uniaxial de las areniscas investigadas, otros sugirieron que el entrelazamiento estructural de los granos de cuarzo y no el propio contenido de cuarzo influye en UCS. Estamos de acuerdo con ellos. Además, aunque no está claramente establecido en la literatura, creemos que las rocas compuestas de granos de cuarzo deben tener una mayor durabilidad debido a la mayor resistencia de este mineral a la abrasión mecánica. En un espacio de tensiones σ1, σ2, σ3, un criterio de rotura de forma simple, representa

una superficie que divide al espacio en dos regiones. En una de las regiones, que llamaremos “domino elástico” y que no incluye la superficie de contorno, las tensiones no producen la rotura.


32

La otra región es inaccesible para las tensiones. Las tensiones sobre la superficie cumplen la condición de rotura.

10) ¿Cómo afecta el tamaño y la unión mineralógica entre los contactos de los granos de roca la resistencia de la roca? La unión determina la facilidad con que las macrofracturas pueden propagarse a través de la muestra interrumpiendo la estructura y rompiendo los enlaces dentro de la masa de tierra. La mineralogía del material de unión o cementación es una propiedad importante que controla la resistencia, dureza y durabilidad. El cuarzo proporciona la atadura más fuerte seguida por la calcita y los minerales ferrosos. La unión mineralógica con arcilla es la más débil. No hay mucha literatura sobre la relación entre las propiedades mecánicas de una roca y el contenido de cemento y matriz. Entre el material publicado, se ha informado que la resistencia aumenta proporcionalmente con la cantidad de cemento. Algunos autores afirmaron que las correlaciones que habían encontrado entre el cemento y la fuerza eran insignificantes. Creemos que el tipo de cemento y el grado de adherencia son factores más importantes que el porcentaje total de cemento solo. Por lo tanto, podría ser engañoso investigar sólo una de estas propiedades sin considerar las otras. Lógicamente, una muestra de roca bien unida (por ejemplo, con cuarzo o cemento de calcita) debería tener una resistencia y durabilidad más altas que las de las peor ligadas (por ejemplo, con uniones de arcilla).

11) ¿Cómo influye la densidad de aglomeración de los granos de la roca sobre su resistencia? La densidad de aglomeración, es el espacio ocupado por los granos en un área dada, con las resistencias uniaxiales de compresión y tracción de Fell Sandstone. Se demostró que la resistencia aumenta con la densidad creciente del empaquetamiento o aglomeración. Hoek sugiere que el interbloqueo severo de los granos podría ocurrir en rocas sedimentarias en las cuales los granos han sido apretados y bien cementados. Esto daría lugar a un aumento considerable de la cantidad de esfuerzo aplicado requerido para propagar las grietas de los límites del grano. Doberenier y De Freitas concluyeron que una densidad de aglomeración baja generalmente caracterizada por areniscas débiles. Shakoor y Bonelli, por otra parte concluyeron que no tenían ninguna relación significativa entre resistencia y densidad de aglomeración. A pesar de las afirmaciones de Shakoor y Bonelli, es razonable esperar que la resistencia a la compresión inconfinada, la dureza y el índice de durabilidad de los muestras de roca aumenten con el aumento de la densidad de aglomeración. Las conclusiones de algunos de los investigadores mencionados anteriormente se resumen en la figura.


33

Figura 21. Coeficiente de correlación para las propiedades petrográfica que influyen en la resistencia de la roca granular

12) Describa el tipo de microestructura de la roca que afecta su resistencia. El fenómeno de rotura se inicia macroscópicamente cuando la tensión alcanza la resistencia de pico (o deformación de pico). La roca se rompe cuando no puede ya soportar las fuerzas aplicadas. En unos casos sigue deformándose continuamente bajo la tensión residual (comportamiento dúctil o parcialmente frágil) y en otros casos no puede soportar ya ninguna fuerza (comportamiento totalmente frágil). 



Los procesos de rotura macroscópica son muy complejos y en general engloba varios tipos de fenómenos microscópicos de rotura. De manera simplificada se puede hablar de rotura por tracción, por esfuerzo cortante, por compresión y por flexión. Los procesos de rotura microscópica se pueden agrupar en fracturación o formación de superficies libres (apertura de una grieta con el efecto de concentración de tensiones en los extremos de la fisura) y deslizamiento (por efecto de una solicitación cortante, un plano


34

reticular, o una banda de planos desliza o deslizan, dando un salto de una varias distancias reticulares). Un fenómeno similar puede producirse a escala de la roca matriz cuando se produce un deslizamiento de una cara de una fisura respecto a la otra debido a una solicitación cortante.

Figura 22. Comportamiento de la roca (Resistencia)

Figura 23. Granulometría de la roca (Microscópica)

Figura 24. Resistencia de la roca matriz

Este tipo de contacto se produce entre partículas y se puede entender como pares de resortes que poseen rigideces normales y de corte. Las partículas pueden superponerse y rotar en su posición, debido a que este tipo de contacto no presenta una resistencia al momento. Entre partículas existe la fuerza de contacto, que representa la acción y reacción entre partículas. Esta interacción puede verse como un resorte, con una rigidez normal y otra de corte. Estas partículas tienen la capacidad de superponerse, al producirse esto, la zona de contacto se define en la zona central del volumen superpuesto.


35

13) Explique el comportamiento mecánico de la roca ensayada. Describa la curva completa esfuerzo deformación antes y después de la rotura. La respuesta de la roca a cargas impuestas muestra un efecto pronunciado en el tamaño o escala de la carga. Este efecto es relacionado en parte a la naturaleza discontinua de los macizos rocosos. Las uniones y otras fracturas de origen geológico están presentes en los cuerpos rocosos, y de esta manera la resistencia y las propiedades de deformación de los macizos rocosos están influenciadas tanto por las propiedades del material rocoso y la variación en las características estructurales. El comportamiento mecánico de la roca ensayada, se presentó de una forma frágil-dúctil en la resistencia de la roca decrece hasta un cierto valor después de haberse alcanzado deformaciones importantes. Es el caso de un comportamiento frágil - dúctil o parcialmente frágil. Esto debido a la misma característica de la roca ensayada, ya que como se pudo observar en el laboratorio, la muestra tuvo grandes deformaciones en el sentido radial, esto se explica por un comportamiento dúctil en forma de un barril, sin embargo, dado las características litológica de la roca (que enfebrecía al ácido Clorhídrico), por tanto es un carbonato de calcio como la caliza. La cuál una de sus características es su resistencia, lo que pudo influir en la forma final de la curva esfuerzo-deformación y que más abajo se presenta, dándole esa característica de fragilidad, ya que almacena grandes cantidades de energía elástica. La ley de comportamiento de un material se define como la relación entre los componentes del esfuerzo que indica el estado de deformaciones que sufre el material. Es un concepto más amplio que el de criterio de rotura o de resistencia, ya que hace referencia a las relaciones entre esfuerzos a lo largo de todo el proceso de deformación del material rocoso. En teoría, una ley de comportamiento debería servir para predecir:      

El valor de la resistencia de pico del material. La resistencia residual. La resistencia del límite de elasticidad. El inicio de la generación de la fractura. Las deformaciones sufridas por el material. La energía del proceso de rotura y deformación.


36

Figura 25. Modelos de comportamiento esfuerzo-deformación

Figura 26. Curva Esfuerzo-Deformación en la rotura

De las curvas esfuerzo-deformación obtenida, se puede apreciar la alta pendiente que presenta la muestra ensayada luego de la rotura, lo que en un sentido mas estricto signiffica que la roca posee mayor rigidez lo que la hace un poco peligrosa por su gran acumulación de energía elástica, lo que en un evento de estallido podría liberarse. Por otra parte, antes de la rotura se observa el proceso de la fluencia, en el cuál es punto dónde se deben hacer los diseños mineros, ya que apartir de ahñi es cuándo la roca pasa de un estado elástico a plástico y por ende cambia todo su comportamiento


37

Figura 27. Curva Esfuerzo-Deformación en la postrotura

Figura 28. Gráfico arrojado en el laboratorio

Puede verse la forma general de la curva tensión - deformación de un material frágil-dúctil. Se puede observar que los materiales dúctiles rompen después de experimentar una deformación apreciable, mientras que los materiales frágiles rompen después de pequeñas deformaciones. La curva tensión – deformación del ensayo a compresión simple de un material frágildúctil presenta una serie de puntos, que determinan a su vez una serie de zonas, cuya denominación es: - P = Límite de proporcionalidad. - E = Límite elástico. Cuando al material se le somete a una tensión menor o igual a la

correspondiente ha dicho punto, al liberar al material de la carga no se presenta deformación permanente (El material retorna a su tamaño original). Para los materiales dúctiles el límite elástico (E) y el límite de proporcionalidad (P) están muy próximos y puede considerarse que tiene el mismo valor. El punto E determina la zona elástica, E, que se puede dividir en dos: la zona de elasticidad proporcional, P, y la no proporcional, (PE). En la zona proporcional se cumple la Ley de HOOKE, en la que los alargamientos son proporcionales a los esfuerzos, es decir: σ = Eε donde E es el denominado módulo de Young o de elasticidad y es la pendiente del segmento lineal de la curva tensión – deformación.

Una vez superado el límite de elasticidad, las deformaciones de la roca no se recuperan aunque se retire totalmente la carga aplicada.


38

El comportamiento elástico o plástico depende de las propiedades resistentes intrínsecas de la roca y de las condiciones en las que se están aplicando los esfuerzos (valor de las tensiones confinantes, velocidad de carga, temperatura, presencia de agua intersticial, etc.).

14) ¿Cómo se aplica el comportamiento mecánico de la roca antes y después de la rotura, en el diseño minero? La muestra de roca nos representa una de los mecanismos más difíciles dentro de un diseño minero, el cual se trata de los estallidos de roca, la que al ser una roca rígida y con una gran afinidad a contener grandes cantidades de energía al llegar al punto máximo de resistencia, se producen fracturas en todas las dirección es posibles y se genera la liberación inmediata de la energía contenida, lo que es muy poco favorable o deseable dentro de cualquier diseño o explotación minera, debido a que gracias a esto se pueden producir grandes daños y problemas de seguridad dentro de la explotación. Otra influencia de los parámetros en el diseño minero tiene que ver con la resistencia residual que se muestra en la curva esfuerzo-deformación, tener un conocimiento apropiado de este parámetro es de vital importancia, ya que nos muestra cómo se comportará el macizo rocoso post-rotura. En las minas se debe analizar la resistencia post-falla ya que ella es la que determina la estabilidad de la excavación a largo plazo. Para la curva esfuerzo-deformación antes de la rotura, el análisis es para estabilidad a corto plazo.

Figura 29. Importancia de la rotura post-falla


39

15) Explique los mecanismos de rotura compresiva de la roca ensayada y como se aplica este mecanismo en el diseño minero. Se dice que un materiales dúctil cuando puede soportar una deformación permanente sin perder su capacidad de resistir una carga. El comportamiento de la mayoría de las rocas será más bien quebradizo que dúctil en nuestro caso la muestra presento comportamiento dúctil al soportar cargar tomando forma de barril sin presentar fisuras una vez la muestra falla se comienza a mostrar múltiples fisuras. A medida que las temperaturas aumentas en las obras mineras la ductilidad aumenta a medida que aumenta la presión de confinamiento y la temperatura. A medida que aumenta la presión de confinamiento, alcanzara un valor de transición quebradizo-dúctil en el cual hay un cambio gradual entre el comportamiento enteramente quebradizo y el enteramente dúctil. Se ha definido la presión de la transición quebradizo-dúctil como la presión en condiciones de confinamiento en la cual el esfuerzo que se necesita para formar un plano de debilidad en una muestra es igual al esfuerzo que se necesita para provocar un deslizamiento en este plano

Figura 30. Curva de esfuerzo deformación para comportamiento dúctil bajo compresión

Dentro del mecanismo de rotura de la roca son diversos los factores que tienen influencia directa en la fracturación del macizo rocoso, pudiendo distinguirse efectos diferentes. Los diferentes factores pueden diferenciarse entre factores intrínsecos a la roca, o bien, factores propios de los explosivos a utilizar.

Fuerzas y mecanismos de deformación de las rocas. Puede hablarse de fuerzas dirigidas y no dirigidas; las dirigidas o de superficie, son más importantes en ingeniería que en geología; estas pueden ser de tensión, compresión y cizalladura. La torsión es un caso particular de la cizalladura en tres dimensiones.


40

Figura 31. Comportamiento de los mecanismos de rotura de la roca

Cuando las fallas se desarrollan a mayor profundidad donde las condiciones de temperatura y presión son más altas, entran a actuar otros procesos que involucran la generación de nuevos minerales y la disolución de otros. En estas condiciones las rocas se deforman dúctilmente, generando granos alargados que le dan comúnmente a la roca un aspecto foliado.

Figura 32. Muestra de la roca fallada


41

5. CONCLUSIONES El ensayo de compresión simple o no confinada es un ensayo relativamente sencillo que nos permite medir la carga última a la que un suelo sometido a una carga compresión falla. Sin embargo es muy importante tener en cuenta las simplificaciones que este ensayo supone, y por las cuales no es un método exacto. Los factores como la porosidad y la meteorización presente en la muestra hacen que haya una gran dispersión en los datos arrojados por el ensayo. Es importante comprender el comportamiento de los suelos sometidos a cargas, ya que es en ellos o sobre ellos que se van a fundar las estructuras, ya sean puentes, edificios o carreteras, que requieren de una base firme, o más aún que pueden aprovechar las resistencias del suelo en beneficio de su propia capacidad y estabilidad, siendo el estudio y la experimentación las herramientas para conseguirlo, y finalmente poder predecir, con una cierta aproximación, el comportamiento ante las cargas de estas estructuras. Debido a la compleja y variable naturaleza de los suelos, en especial en lo referido a la resistencia al esfuerzo cortante, existen muchos métodos de ensayo para evaluar sus características. Aun cuando se utilizan otros métodos más representativos, como el triaxial, el ensayo de compresión simple cumple el objetivo buscado, sin tener que hacer un método tan complejo ni usar un equipo que a veces puede ser inaccesible, lo que significa menor costo. Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia o esfuerzo último de un suelo cohesivo a la compresión no confinada, mediante la aplicación de una carga axial con control de deformación y utilizando una muestra de suelo inalterada tallada en forma de cilindro. La resistencia calculada es menor que la del terreno debido al no confinamiento de la probeta de suelo. La elección de la magnitud de los incrementos de carga aplicados o de la velocidad de aplicación de la carga, pueden influir en la forma de la curva esfuerzo – deformación y el valor de la resistencia última. Por un ajuste impropio de la base o el cabezal con la muestra pueden tenerse errores en las lecturas del extensómetro y en la verticalidad de la muestra. La determinación de la deformabilidad de un macizo rocoso constituye un problema teórico y práctico no resuelto aun totalmente.


42

BIBLIOGRAFÍA Brady, B. H. G., Brown, E. T. Kluwer Academic Publishers. 1999. Rock Mechanics for Underground Mining. García, G. C. (1975). Un ejemplo de karst mecánico en rocas blandas: las torcas de Guadix. Estudios geográficos, 36(138), 247. GONZÁLEZ DE VALLEJO, L., & OTEO, C. (1982). Alterabilidad de pizarras y su incidencia geotécnica en explotaciones mineras a cielo abierto. In VII Simposio Nacional sobre Obras en superficie en Mecánica de Rocas" SEMR (Vol. 1). Henández-Jatib, N., Almaguer-Carmenate, Y., Rosario-Ferrer, Y., & Otaño-Noguel, J. (2014). Determinación del método de arranque de la roca en la cantera Pilón, Mayarí. Minería & Geología, 30(2), 42-57. Luis I González Vallejo. 2002. Libro Ingeniería Geológica. Martínez-Díaz, J. J., Rodríguez-Pascual, M. Á., Perez López, R., García Mayordomo, J., Giner Robles, J. L., Martín-González, F.,... & Insua Arévalo, M. (2011). Informe geológico preliminar del terremoto de Lorca del 11 de mayo de 2011, 5.1 Mw. Martínez Martínez, J., Benavente, D., Rodríguez, M. A., & García del Cura, M. A. (2003). Ensayos destructivos y no destructivos (ultrasonidos) en la determinación de calidad de rocas ornamentales: aplicación a dolomías brechoides. Oyanguren, P. R., de la Cuadra Irizar, L., Huerta, R. L., & Obeso, E. G. (1984 ). Mecánica de rocas aplicada a la minería metálica subterránea. Instituto Geológico y Minero de España. Palma, C., Linero, S., & Apablaza, R. (2009). Caracterización geotécnica de materiales de lastre en botaderos de gran altura mediante ensayos triaxiales y odométricos de gran tamaño. In III Conferencia Sudamericana de Ingenieros Geotécnicos, Córdoba, Argentina. Rodríguez, R., & Cortés, Á. G. (2006). PROPIEDADES FÍSICAS, MECÁNICAS E HIDROGEOLÓGICAS DE LOS RESIDUOS MINERO-METALÚRGICOS

Informe de Laboratorio Mecanica de Rocas II

Recommend Documents