| 2010 | | Mecánica de Rocas I Lucila Narváez C José Fredez GJuan Piero Espinoza | [Laboratorio de mecanica de rocas i] | | [ ]Índice INTRODUCCIÓN…………………..……… INTRODUCCIÓN… ………………..……….……………..…….....………… .……………..…….....…………………………... ………………... 3 OBJETIVOS.........…………………..……….……………..…….....…… OBJETIVOS.........…………………..…… ….……………..…….....………………………….. …………………….. 4 ANTECEDENTES TEÓRICOS……..…………………....…………………………….…......5 PROCEDIMIENTO PROCEDIMIEN TO LABORATORIO… LABORATORIO……….....….………...................................7 …….....….………...................................7 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS… DESTRUCTIVOS…………………….… ………………….………............................…....8 ……............................…....8 ENSAYOS DESTRUCTIVOS………………………...…… DESTRUCTIVOS…… …………………...…………………………… ………………………….….…... ….….…...11 11 PROCEDIMIENTO PROCEDIMIEN TO PARA ENSAYOS DESTRUCTIVOS… DESTRUCTIVOS…………………… …………………….…....11 ….…....11 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS……...…………………….…….....12 REALIZADOS……...…………………….…….....12 CONCLUSIONES……………………………………....…………………………………….… ..14
INTRODUCCION 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. Para realizar los ensayos en el laboratorio, primero se extrae una muestra, el cual es sometido a distintas pruebas tanto no destructivas como destructivas. Este informe expone los resultados de la examinación de testigos, teniendo presente el conocimiento previo de cómo se realizan cada una de estas pruebas. Además de estos estudios, es importante, para una buena evaluación del lugar en cuestión, disponer de un estudio geológico, litológico y de los campos de esfuerzos in situ. OBJETIVOS * Estudiar y analizar la información obtenidas atreves de ensayos de laboratorio, tantos destructivos como no destructivos, sobre los testigos. * Determinar las características mecánicas de la roca mediante los resultados teóricos(mediación de tiempos y calculo de la velocidad de onda P y S ) * Conocer y manejar los distintos equipos utilizados para obtener la información necesaria para realizar los cálculos respectivos. ANTECEDENTES TEORICOS Preparación de la muestra
Las muestras que se utilizan en laboratorio, tienen que cumplir con normas establecidas por organismos o laboratorios que se han especializado en este rubro. La A.S.T.M. (american society testing materials), han establecido las normas más utilizadas y conocidas mundialmente. Estas normas básicas son necesarias para minimizar los errores de ensayo. Para la obtención de una probeta de ensayo se requiere básicamente cumplir con cuatro etapas en las que se utilizan equipos de laboratorios específicos. Estas etapas son: Extracción del testigo Esta etapa se realiza con un trozo de testigo o mediante sondajes. Los diámetros de los testigos varían de acuerdo a las coplas y de la calidad de la roca, y los largos tienen como norma ser del doble de tamaño que el diámetro. Corte de testigo El corte del testigo se debe realizar con una cierra, este equipo cuenta con un equipo de solución refrigerada. Para minimizar la absorción refrigerante por el testigo durante el corte, las probetas se sumergen previamente en agua durante 15 minutos. El tiempo total del corte varía con relación a los diámetros de los testigos y la dureza del material, como por ejemplo los granates. Pulido de caras El objetivo de pulir las caras básales del testigo, es darle el paralelismo necesario para minimizar los errores por carga puntuales de los ensayos. Este pulido se realiza con una pulidora manual, tiene como y tolerancia 4 μm, cara que al ejecutar el ensayo de carga puntual no se aplica la carga a un solo punto. El tiempo de pulido por muestra oscila entre 20 y 35 minutos.
Medición de Paralelismo Una de las características es la forma del testigo que debe tener forma de cilindro regular recto, estos deben ser lisos y rectos evitando irregularidades. La razón entre el largo y el diámetro de este debe ser por norma de 2:1, esta relación radica en la libertad que debe tener la probeta de seleccionar el plano de ruptura. Las probetas cuyo paralelismo no cumpla con las normas mencionadas deben ser pulidas. PROCEDIMIENTOS LABORATORIO Antes de proceder a los ensayos a los testigos lisos (ya hecha las mediciones de paralelismo, pulidos, etc.), medimos el largo y diámetro de los testigos, que en nuestro caso son dos, las mediciones se muestran en la siguiente: Muestra | Largo L (mm) | Diámetro Ø (mm) | Muestra | 87.6 | 41 | A continuación procedemos a calcular el volumen de los testigos según la siguiente fórmula: Volumen = π/4 ∙ (diámetro)² ∙ longitud | Muestra | Volumen (cm³) | Muestra | 115.65 | || Obtención del peso de las muestras Las muestras son llevadas al laboratorio de química; donde se les toma el peso; los cuales se describen en la siguiente tabla:
Muestra | Peso (gr) | Muestra | 480 | || ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS En este tipo de ensayos el testigo no es destruido por lo cual este se puede volver a utilizar para la realización de otro tipo de ensayo. Los ensayos no destructivos son los siguientes: Medición de ondas S y P (obtención del modulo de Young y Poisson). Velocidad de Onda Dentro de los ensayos no destructivos esta la determinación de constantes elásticas dinámicas que se realiza mediante mediciones de velocidades de compresión de (Vp) y de corte (Vc) en probetas de peso especifico conocido. Para mediciones de las velocidades de ondas P y S, el equipo usado se denomina Sonic pulse generador de marca Terrametric, el equipo que se utiliza consta de un generador y un amplificador de poder, una unidad de transducer, que consta de un transmisor y un receptor los cuales convierten los pulsos eléctricos en mecánicos y una unidad receptora de ondas que consiste en un osciloscopio de marca Tektronic, modelo T 912-10MHz, que tiene incorporado un amplificador de voltaje. El procedimiento de ensayo de ondas P y S consiste en colocar los palpadores piezas eléctricas sobre la probeta, en donde la línea que conecta los centros de las áreas de contacto no deben de estar inclinadas más de 2º con respecto a la línea perpendicular a cada área. Se pone un poco de grasa en las caras de la probeta para permitir una mejor transmisión de ondas por los transducer. La lectura del tiempo inicial en la pantalla se determina uniendo los transducer, sin la probeta, donde el tiempo inicial “T” está determinado por la primera variación de la recta inicia de la onda en la pantalla del osciloscopio. Luego estando los palpadores pieza eléctrica sobre la probeta, se determina en forma simultáneamente los tiempos P y S.
Para él cálculo de las ondas P y S se usa el siguiente formulismo: Vp
=
L
Vs
Tep Donde:
=
L Tes
Vp = velocidad de ondas P Vs
= velocidad de ondas S
Tep = tiempo ondas P Tes = tiempo ondas S L
= largo probeta
Tep = Tp – Tpp
Tes = Ts – Tps
Donde: Tpp = tiempo de viaje de la onda P en los cabezales Tps = tiempo de viaje de la onda S en los cabezales Tp = tiempo total de la onda P Ts = tiempo total de la onda S Calculo de Vp y Vs Muestra: Datos: Largo probeta = 87.6 mm Diámetro probeta = 41 mm Calculo de Vp:Tpp = 3,3 (µseg)Tp = 24 (µseg)Tep = Tp – Tpp = 24(µseg)- 3.3( µseg )Tep = 20.7 (µseg) Vp = L / Tep = 87.6 mm / 20.7 (µseg)Vp = 423.188 (cm / seg.) |
Calculo de Vs:Tps= 9.5 (µseg)Ts= 42 (µseg)Tes = Ts – Tps = 42 (µseg)-9.5(µseg)Tes = 32.50 (µseg) Vs = L / Tes = 87.6 mm / 32.50 ( µseg )Vs = 269.538 (cm /seg) | Luego de obtener los datos de las ecuaciones anteriores se pueden calcular los diferentes modulo. Modulo de rigidez (G): G = PE * Vs² /g = (Kg/cm²) Donde: PE = Peso especifico en Kg/cm³ Vs = Velocidad de onda S en cm/seg g = 980 cm/seg Calculo para Muestra: Datos: PE=0.0029 Kg/cm3 Vs = 269.538 cm/seg g = Aceleración de gravedad = 980 (cm/seg²) G =0.214 (Kg/cm2) | Modulo de Poisson (M): M =
(Vp² – 2Vs²) 2(Vp² – Vs²)
Donde: Vp = velocidad de ondas P Vs = velocidad de ondas S
Calculo para Muestra: Datos: Vp = 423.188 (cm / seg) Vs = 269.538 (cm / seg) M=
(423.188² ― 2*269.538²) 2(423.188² – 269.538²)
M = 0.16 | Modulo de Young Dinámico (E): E = 2*G*(1 + M) = (Kg/cm²) Calculo para Muestra: Datos: G = 0.214 (Kg/cm2) M = 0,16 E = 2*38,179 *(1 + 0,216) E = 0.496 Mpa | ENSAYOS DESTRUCTIVOS Gracias a los ensayos destructivos podemos determinar las propiedades mecánicas de las rocas, en este caso a través de los testigos.
Ensayo de compresión uniaxial: Para la realización de este ensayo se usa una prensa hidráulica SOILTEST, DIGITAL COMPRESSION TESTER, con tres escalas de carga de 3.30 y 150 toneladas, que posee tres controles manuales de carga y descarga. El marco de carga cuenta con marcos oscilantes donde se apoya la probeta que asegura la perpendicularidad de la sección basal de esta, con respecto al eje de carga durante el ensayo. La muestra debe estar preparada según las normas A.S.T.M. D-2936-71, que consiste en aplicar carga compresiva sobre una probeta hasta su ruptura. La velocidad de carga aplicada depende del tipo de roca ensayada, donde se logran velocidades promedio de carga de 40 (psi/seg), para rocas de baja resistencia y la velocidad máxima de carga según normas A.S.T.M. es de 100 (psi/seg). La fatiga de ruptura se expresa por:
Fatiga de ruptura () =
F
(Kg/cm²) A
Donde:
F = fuerza de ruptura A = área expuesta a la carga
PROCEDIMIENTO PARA ENSAYOS DESTRUCTIVOS La primera etapa del laboratorio fue conocer el equipo con el cual se iba a trabajar. Los ensayos de compresión simple y ensayos de tracción, se realizan médiate una prensa hidráulica computarizada o cargador uniaxial simple. Para realizar el ensayo de compresión simple, fueron usados tres testigos de roca, los cuales fueron sometidos a compresión uniaxial simple, luego al testigo se le aplicó una carga que se iba aumentando paulatinamente hasta provocar la ruptura del testigo, una vez que el testigo se destruye, la prensa entrega los resultados de la experiencia en una pantalla. Posteriormente se realiza el mismo procedimiento con los otros dos testigos.
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS ENSAYOS DESTRUCTIVOS Ensayo de compresión uniaxial simple: Para realizar este ensayo la prensa pide los siguientes datos: fecha, hora, máx. Rango, velocidad de carga, largo y diámetro del testigo. Muestra | L (mm) | Ø (mm) | Fuerza de carga (KN) | Compresión uniaxial (KPa) | 1 | 87.6 | 41 | 243.3 | 184273 | Comprobación por cálculo analítico del esfuerzo de compresión uniaxial simple: Calculo para Muestra: F= 243.3 KN A= (∏ *D²)/4 A= (∏ * (0.041 mt)²) / 4
A= 1,320 x 10ˉ³
c= F/A = 243.3 KN / 1.320 x 10ˉ³ mt² c=184318.18 Kpa ANALISIS DE RESULTADO | CODIGO | DESCRIPCION | Resist. a la comp.MN/m (Mpa) | Ingenieríade Rocas | R7R6R5R4R3R2R1 | Roca extremadamente resistenteRoca muy resistenteRoca resistenteRoca moderadamente resistenteRoca moderadamente débilRoca débilRoca muy débil | > a 200100 – 20050 – 10012.5 – 505 – 12.51.25 – 50.6 - 1.25 | Ingeniería de Suelos | C4(G4)C3(G3)C2(G2)C1(G1) | Duro (débilmente
cementado)Firme (compacto)Blando (suelto)Muy Blando (muy suelto) | 0.15 – 0.60.08 – 0.150.04 – 0.08< 0.04 | De la tabla anterior se tiene que la muestra es del tipo de roca muy resistente ya que c>126 MPa. ENSAYO BRASILEÑO DE TRACCION INDIRECTA En este ensayo se introduce un disco de testigo a la misma prensa utilizada anteriormente, este ensayo está condicionado por el diámetro del disco de testigo y las limitaciones de carga en el caso de rocas muy resistentes. El disco de testigo utilizado por nosotros no correspondía al mismo tipo de roca de nuestras muestras, usamos un disco de testigo cualquiera y los datos que arrojo este ensayo son los siguientes: Muestra | Diámetro(mm) | Espesor(mm) | Carga (KN) | 1 | 47.63 | 11.56 | 18.4 | Fórmula matemática: T = (2*P)/ (D*t) Donde:
T = Resistencia a la tracción (Pa)
P = Carga última de rotura de la probeta (N) D = Diámetro de la probeta (m) T = Espesor de la probeta (m) T = (2*18400)/(0.04763*0.01156) T = 66835838.83Pa T = 66.8 MPa Por lo tanto la resistencia a la tracción indirecta de la probeta es de 66,8 MPa. CONCLUSIONES
Es muy importante realizar una buena preparación de los testigos que van a ensayarse, con el fin de eliminar los posibles errores en el experimento debido a un pulido imperfecto, o el dimensionamiento de las probetas puesto que el largo sea mayor que el doble que el diámetro, puede ser causa de un pandeamiento, o tratamiento incorrecto de los mismos en alguna fase del laboratorio. La preparación de la muestra debe ser cuidadosa, ya que de esto dependerá la correcta obtención de resultados al final de la experiencia. La probeta (testigo) analizada representa un modulo de Poisson de 0.16. A través del ensayo de carga puntual se logró determinar que la resistencia de la roca es de 89.068 KPa, lo cual nos indica que estamos en presencia de una roca muy resistente y se comprueba con su módulo de rigidez que dio un valor de 94.827 MPa lo cual está sobre el valor de una roca considerada buena que es de 65000 MPa. A través del ensayo de compresión uniaxial simple, para la muestra, se obtuvo una resistencia a la compresión de 184318.18 KPa, A través del ensayo Brasileño de tracción indirecta, logramos determinar que la resistencia a la tracción de nuestra muestra es de 66.8 MPa. De la experiencia realizada en los ensayos no destructivos se ha podido concluir que en él calculo y obtención de los módulos de rigidez, elasticidad y poisson, los valores obtenidos se asemejan a lo esperado con respecto a la teoría. Estos valores describen a su vez el tipo de roca, en nuestro caso la roca es competente. Otro aspecto importante fue el cálculo de las ondas p y s ya que con estas realizamos los cálculos del modulo de rigidez, etc. Haciéndose notar que la lectura de dichas ondas, depende de la habilidad del individuo en particular. Es necesario destacar que para lograr buenos resultados se debe contar con conocimientos del método e instrumentos a utiliza, con esto se puede minimizar las posibilidades desviaciones de los resu
