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5/19/2018 Propiedades_ingenieriles_de_rocas.ppt

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Propiedades Ingenieriles de

Materiales Rocosos


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Matriz Rocosa (Roca Intacta)

Material rocoso sin discontinuidades o bloques de rocaintacta entre discontinuidades.

A pesar de considerarse continua es heterognea y

anistropa, ligada a la fbrica, textura y estructura,mineral.

Mecnicamente, la matriz rocosa se caracteriza por sudensidad, resistencia y deformabilidad.

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


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Propiedades fsicas:

Controlan las caractersticas resistentes y

deformacionales de la matriz rocosa.

Resultado de la gnesis, condiciones y

procesos geolgicos y tectnicos sufridos

por la roca a travs de su historia.

Se determinan en laboratorio


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Procesos geolgicos que afectan laspropiedades geotcnicas de la roca

Ambiente de depositacin: Tamao degrano, seleccin, estratificacin, etc.

Diagnesis, grado de cementacin

Historial de stresses Grado de compactacin

Posibles anisotropas

Metamorfismo Magmatismo, cristalizacin

Meteorizacin


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Tomado de Gonzlez de Vallejo, 2002


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Peso especfico o peso

unitario

El peso unitario de una roca

depende de sus componentes

y se define como el peso por

unidad de volumen

(unidades de fuerza -N,tonf,etc.- por volumen).

= g


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POROSIDAD:

Relacin entre el volumen ocupado por los huecos o poros en

la roca (Vv) y el volumen total: = Vv/V.

Es una de las propiedades que ms afecta a las caractersticasresistentes y mecnicas. Los poros en rocas cristalinas gneas o

metamrficas pueden ser grietas o microfracturas .

La porosidad generalmente decrece con la profundidad y con

la edad de las rocas. El valor de puede variar entre 0% y 90%, siendo valores

normales entre 15 y 30%.


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PERMEABILIDAD:

Es la capacidad de una roca para transmitir agua. La

mayora de las rocas presentan permeabilidad baja o

muy baja. La permeabilidad de una roca se mide por

el coeficiente de permeabilidad o de conductividadhidrulica, k,expresada en m/s, cm/s o m/da.


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Para la mayora de las rocas, a nivel de matriz rocosa, se

asume que el flujo sigue la ley de Darcy

Adxdhkqx )/(

qx= caudal en la direccin x

(volumen/tiempo)

h= altura hidrulica

A= seccin normal a la direccin x, k

k= conductividad hidrulica


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DURABILIDAD:

Es la resistencia de la roca a procesos de desintegracin.

Rocas volcnicas, lutticas o pizarrosas, con contenidosimportantes de minerales arcillosos al ser expuestos al aire o alagua pueden degradar de manera importante las propiedades

resistentes. Las propiedades resistentes pueden sersobrevaloradas para usos ingenieriles como excavacionessuperficiales, tneles, terraplenes, etc. La durabilidad se evalamediante un ensayo:slake durability test (SDT).


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El material previamente fragmentado se somete a ciclos estndar dehumedad-sequedad-desmoronamiento de 10 min. Los fragmentosson pesados despus de secados al horno e introducirlos en untambor. El tambor est sumergido en agua (u otro) hasta bajo el eje.

Se rota el tambor un nmero determinado de veces. La muestra quepermanece en el tambor se extrae, se seca y se pesa y se repite elciclo.

El ndice de durabilidad ID, representa el porcentaje de roca, en pesoseco, que queda retenido en el tambor, despus de uno o dos ciclos

de desmoronamiento (ID1, ID2) y puede variar entre 0% y 100%

ID(%)= Peso seco despus de uno o dos ciclos

Peso inicial de la muestra

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


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Clasificacin de la durabilidad en base

al ndice ID2

Durabilidad % peso retenido

despus de 2 ciclos

Muy alta >98

Alta 9598

Mediaalta 8595

Media 6085

Baja 3060

Muy baja < 30


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Resistencia del material rocoso.

La resistencia de una muestra de roca intactadepende de la resistencia de los minerales que la

componen y de la manera en que ellos estn unidos

-ya sea por cristalizacin o cementacin.

Tipos de Resistencia en Roca Intacta

Al cizalle. A la traccin.

A la compresin simple (carga uniaxial).


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Influyen en la resistencia:

Tamao del grano

Redondeamiento del grano

Esfericidad del grano

Contactos entre granos

Cementacin Tipo de cemento

Grado de cementacin

Historia de Stress y presiones deconfinamiento (especialmente en limolitas,lutitas, arcillolitas).


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Medicin de resistencia

Terreno:

Rebote del martillo Velocidad de ondas

Martillo Schmidt

Ensayo carga puntual

Laboratorio:

Ensayos Triaxial-Uniaxial

Ensayo de carga puntual

Martillo Schmidt

Velocidad de ondas (ultrasonido)


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Ensayos de Resistencia

En estados de compresin triaxial, uniaxial ode traccin.

Deben simularse niveles de stresses in situ.

Preparacin de la muestra puede influirnotablemente en los resultados.


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Todos los ensayos usan fuerzascompresivas.

Traccin

Uniaxial

(No confinado)

Triaxial


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Resistencia a la Compresin Simple

Es igual a la resistencia mxima en el eje

axial en un ensayo uniaxial (no confinado).

s1en falla = UCS (uniaxial compressionstrength).

s2= s3=0

E U i i l


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Ensayos Uniaxiales(Compresin Simple)

Condiciones no confinadas,s2=s3=0

Largo/Ancho debe ser 2.5 a

3.0:1 para evitar efectos deborde.

Extremos deben ser paralelos ypulidos, sin grietas.

Ancho de muestra debe ser >10veces el tamao medio del grano.

Resistencia a la Compresin Uniaxial:

UCS


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propertyRock type

Unit weight(kNm

-3)

Porosity(%)

Mean Particlediameter (mm)

UCS(MPa)

Westerly

Granite

26.5 0.9 0.85 281

Rutland

Quartzite

26.4 0.5 0.30 505

Marble 26.9 1.3 0.20 50

Colorado

Rhylite Tuff

17.7 41.0 0.01 91

PottsvilleSandstone

25.4 3.0 0.20 230

San Marcos

Gabbro

29.7 0.2 1.00 215


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Resistencia al Cizalle

Para roca intacta, se suele usar el modelo deMohr-Coulomb para resistencia al cizalle, con susparmetros:

Cohesion (aparente): Interseccin de laenvolvente de fractura en eje Y (normalmente enMPa para rocas, mientras para suelos en kPa).

Angulo de Friccin:Pendiente de la envolvente

de fractura.

s tan c


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Criterio Mohr-Coulomb


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Ensayos Triaxiales Usualmente en estado biaxial (s2=s3)

Razn Largo/ancho 2.0 a 2.5:1 paraevitar efectos de borde

Extremos deben ser paralelos y pulidos,sin grietas.

Ancho de muestra debe ser >10 vecesel tamao medio del grano.


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Resistencia a la Traccin


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Ancho de muestra debe ser

>10 veces el tamao medio delgrano.

Ensayo de traccin (Test Brasileo)

Otra forma deensayo uniaxial,s2=s3=0

Dimetro: largodebe ser aprox.1:1

Extremos deben

ser paralelos ypulidos, singrietas.

Tabla 4.11 .- Parmetros asociados a la resistencia de las rocas. (Modificado de


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Waltham,1994).

Roca DensidadSeca

PorosidadUCS

mediaUCS

saturada

Mdulo

de

Elastici-

dad

Resisten-

cia a la

traccin

Resistencia

al cizalle*1ngulo

de

friccin

t/m3 % MPa MPa GPa MPa MPa

Granito

Basalto

2.7

2.9

1

2

200

250

75

90

15

15

35

40

55

50

Grauwaca

Arenisca (Cb)*

Arenisca (Tr)**

2.6

2.2

1.9

3

12

25

180

70

20

160

50

10

60

30

4

15

5

1

30

15

4

45

45

40

Caliza (Cb)*

Caliza (Jr)***

2.6

2.3

3

15

100

25

90

15

60

15

10

2

30

5

35

35

Limolita (Cb)

Lutita (Cb)

2.3

2.3

10

15

40

20

20

5

10

2

1

0.5

30

25

Carbn

Yeso

Sal

1.4

2.2

2.1

10

5

5

30

25

12

10

20

5

2

1 30

Mrmol

Gneiss

Esquisto

Pizarra

2.6

2.7

2.7

2.7

1

1

3

1

100

150

60

90

60

45

20

30

10

10

2

10

32

30

35

30

25

25

*Cb=carbonfera **Tr=trisica ***Jr=jursica

*1Resistencia al cizalle directo, no confinado.

Evolucin de fracturamiento


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Evolucin de fracturamiento

Etapa 1: Desarrollo de strainelstico

Etapa 2: Microfracturamiento,strain no recuperable.

Etapa 3: Fracturamientocoalesce y se forma un planodiscreto de fractura.

Etapa 4: Cizallamiento

F a t amiento se p ede dete ta po


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Fracturamiento se puede detectar poremisiones acsticas, las que se elevan al

cizallar.


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Las emisiones

acsticas han

permitidodetectar las

etapas de

fracturamiento

en los ensayosde compresin.


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Es posible estimarla resistencia de laroca en terreno.

Ensayo de cargapuntual se puedehacer en terreno ylaboratorio.

Clasificacin de

Brown (ISRM, 1981)

Resistencia enterreno


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Tabla 4.12 .- Descripcin y estimacin de la resistencia en terreno.(Modificado de

Waltham,1994).

Descripcin roca UCS(Mpa) Caractersticas

Roca muy resistente >200 Rebote del martillo

Roca resistente 100-200 Se rompe con un golpefirme de martillo

Roca moderadamenteresistente

50-100 Se marca con el martillo

Roca moderadamenteblanda

10-50 No se rompe con lamano

Roca blanda 1.5-10 Se rompe con un

elemento punzanteRoca muy blanda 0.6-1.5 Se rompe con la mano

Suelo muy firme 0.3-0.6 Se marca con la ua


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Ensayo de carga puntual: Elstress aplicado se convierte a

valores aproximados de UCS,segn el dimetro de la muestra.


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Relacin Resistencia a la Carga Puntual/

resistencia a la compresin simple


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Martillo de Schmidt Mide la resistencia de superficies slidas. Creado

para hormigones, se ha extendido su uso a la roca,correlacionando con la resistencia a la compresin

simple de la superficie.


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Influencia de

Tamao delGrano


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La fbrica de la roca,

puede tener una graninfluencia en laresistencia de materialesrocosos.

Ej: efecto del clivaje enuna pizarra.

Los materialesgeolgicos suelen seranisotrpicos y

heterogneos!!


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Efectos del Agua:

Presiones de poros reducen el stressefectivo,

se reducen los contactos entre granos yla resistencia friccional.

Induce procesos de meteorizacin.

Efecto de presiones


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Efecto de presionesde agua en unacaliza.

s3=69 MPa

A mayor presin de

poros,baja laresistencia y elcomportamiento esms frgil.


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Otro parmetro que es funcin de las propiedadeselsticas es la velocidad de ondas ssmicas(velocidad snica o Vp, y Vs).


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Relaciones Esfuerzo-Deformacin y

Constantes Elsticas


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Deformacin

La deformabilidad de la roca intacta seexpresa en trminos de la relacin entrestress y strain en compresin uniaxial.

Axial Strain

Ax

ialStress

Gradient = Young's modulus

Peak StrengthUCS

Residual Strength

Curva tpica, deformacin frgil


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Relaciones esfuerzo-deformacin


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Las rocas sedeforman demanera diferente

segn suscaractersticasgeolgicas.


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Algunas rocas,especialmente salesy carbonatos a altos3, muestran un

comportamientodctil.

El ti id d Md l d D f i


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Elasticidad: Mdulo de Deformacin ode Young


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El mdulo de Youngse ve afectado por:- grado de

cementacin- tamao y forma delgrano

(L: largo de contacto,D: tamao del grano)


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Tambin hay relaciones entre E y laporosidad de la roca.


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Razn de Poisson

Un segundo parmetro elstico, mide la raznentre el strain lateral y el strain axial.

Axial StrainLateral Strain

z

x


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Mdulo de Cizalle

Igualmente que para esfuerzos normales se define elmdulo de Young, para esfuerzos de corte se tiene

el mdulo de cizalle G:

Donde es el esfuerzo de corte en un plano, y el

strain de cizalle en ese plano. El mdulo de cizallese relaciona con los otros mdulos elsticos:

G

)1(2

EG


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E y G dan cuenta de la rigidez

(stiffness) de la roca. Para rocas istropas,

hay un nico valor de E, G y que lacaracterizan. Si la roca no es isotrpica, hay

varios valores de E, G y , y el anlisis

stress-strain pasa a ser un anlisis tensorial.


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