Mecánica de Rocas 4 Trabajo Finalizado

FACULTAD DE INGENIERÍA

GEOLÓGICA, MINERA Y

METALÚRGICA

ENSAYOS DE LABORATORIO .

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Curso: MECÁNICA DE ROCAS I MI 315

Profesor: Ing. Valencia Chávez, Elvis William

Apellido Paterno

Apellido Materno

Nombres Especialidad Código Firma

De la Cruz Ordoñez Johann David G3 20135006 A

Espinoza Sánchez Joao Francisco G3 20120136 A

2014

G-4

TABLA DE CONTENIDO

Contenido

Prologo_____________________________________________________________________________________________________1

Dedicatoria_________________________________________________________________________________________________2

Agradecimientos___________________________________________________________________________________________3

Resumen___________________________________________________________________________________________________4

Objetivos___________________________________________________________________________________________________5

ENSAYOS DE LABORATORIO_____________________________________________________________________________6

Observaciones____________________________________________________________________________________________41

Recomendaciones________________________________________________________________________________________42

Conclusiones__________________________________________________________________________________________43Bibliografía____________________________________________________________________________________________________________44

Curso: MECÁNICA DE ROCAS I MI 315

Profesor: Ing. Valencia Chávez, Elvis William

Apellido Paterno

Apellido Materno

Nombres Especialidad Código Firma

De la Cruz Ordoñez Johann David G3 20135006 A

Espinoza Sánchez Joao Francisco G3 20120136 A

INFORME DE CAMPO N° 2 – CLASIFICACION DEL MACIZO ROCOSOMÉCANICA DE ROCAS I

Prologo

En la vida académica de un estudiante de la Universidad Nacional de Ingeniería, de la especialidad de Ingeniería en minas, es menester para su aprendizaje adentrarse en el campo de la Mecánica de Rocas, no como tema de solo aprendizaje sino como algo aplicativo para después, cuando se desempeñe en el campo que le corresponda; siendo este la mina, generalmente.

El presente trabajo se fundamenta en los conocimientos impartidos por el docente del curso, el cual nos brindó los conocimientos previos, que después con ayuda de bibliografía; además de la internet (herramienta indispensable hoy en día, para la investigación) logramos profundizar más sobre esta temática. Asimismo como es conocido el aprendizaje no solo se da en cuadernos; tuvimos que realizar un trabajo de campo el cual con ayuda del encargado, en este caso el ingeniero, realizamos la aplicación de los conocimientos obtenidos.

Este trabajo está orientado en la presentación de los conceptos a lo que se refiere a los ensayos de laboratorio de la roca intacta, orientados al ámbito de la minería mediante la criterios universales; asimismo no se dejara de hablar de las aplicaciones que esta tenga en el ámbito general, El presente es un trabajo realizado en grupo, siendo estos alumnos de antegrado que se encuentran cursando el 6to ciclo en la especialidad; por tal motivo este trabajo no es especializado, ni mucho menos una investigación; es una recolección de información y opiniones esquematizadas y estructuradas el cual generaron este contenido.

Como bien sabemos, y a mucha honra recordamos, los alumnos de nuestra casa de estudios son privilegiados de tener un prestigio, que aunque ha ido decayendo hoy en día, es bueno realzarlo. Por este motivo y muchos más este trabajo está motivado por querer realizar trabajos destacados que puedan realzar una vez y muchas veces más el prestigio de nuestra universidad.

También es menester pedir que si en alguna parte de este informe no concuerda con la opinión del que lo lea nos disculpe, es un trabajo realizado por alumnos, para su casa de estudio.

ATTE

Grupo 4 – Mecánica de Rocas I 2014 - I

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Dedicatoria

"Este trabajo en primer lugar se lo queremos dedicar

a nuestros padres que con su amor incondicional nos apoyaron en todo momento, en nuestros

momentos de fortaleza y de debilidad, siempre estuvieron para incentivarnos a seguir adelante.

A nuestro docente que con su dedicación, paciencia, esmero y profesionalismo nos dirigió durante todo

este trayecto, con el objetivo de enseñarnos e instruirnos para ser buenos ingenieros en la vida.

Muchísimas Gracias a todos por acompañarnos en este camino“

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Agradecimientos

“Agradecer hoy y siempre a nuestras familias por el esfuerzo realizado por ellos.

El apoyo en nuestros estudios, de ser así no hubiese sido posible.

A nuestros padres y demás familiares ya que nos brindan

el apoyo, la alegría y nos dan la fortaleza necesaria para seguir adelante.

Un agradecimiento especial al ingeniero, por la

colaboración, paciencia, apoyo

y sobre todo por esa gran esmero que nos brindó y nos brinda.”

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Resumen

El presente trabajo es de carácter académico, el cual presentara una estructura esquematizada,

la cual es la siguiente: los objetivos, un marco teórico, los instrumentos utilizados, los procedimientos

realizados, datos obtenidos, el análisis de los datos, las recomendaciones, observaciones, conclusiones.

Los objetivos, son las metas que queremos llegar a obtener al realizar el presente informe.

En el marco teórico, se orientara a los fundamentos los ensayos de laboratorio, conceptos que

están presente, sus partes y demás implicancias que esta muestra.

Los procedimientos, en este apartado redactaremos las acciones que hemos realizado en el

campo para la obtención de los datos.

Datos obtenidos, presentaremos los datos obtenidos en el campo, y su posterior culminación, la

determinación de parámetros.

Las recomendaciones, observaciones, conclusiones; son apartados al culminar el trabajo donde

daremos información sobre este informe.

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Objetivos

OBJETIVO PRINCIPAL Determinación de parámetros mediante ensayos d laboratorio del material rocoso.

OBJETIVOS SECUNDARIOS Corroborar el análisis realizado en los datos de campo estimados como resistencia a la

compresión uniaxial.

Identificar los parámetros más significativos que influyen en el comportamiento de la masa rocosa.

Obtener datos cuantitativos de la masa rocosa, que servirán como guía en el proceso de aprendizaje para el curso de mecánica de rocas.

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ENSAYOS DE LABORATORIO

INTRODUCCION AL LABORATORIO DE MECANICA DE ROCAS

La disciplina Mecánica de Rocas estudia las propiedades y comportamiento mecánico de la roca, con el

fin de diseñar y construir con criterios de ingeniería obras temporales (generalmente mineras) u obras

permanentes (generalmente civiles), empleando la roca como material estructural.

La mayoría de las excavaciones mineras son de carácter temporal, tal como es el caso de tajeos; mientras

se mantenga un acceso seguro durante el tiempo necesario para extraer el mineral circundante y el

comportamiento posterior de la excavación no sea un obstáculo para las demás operaciones; estas dejan

de ser importantes luego de un tiempo corto.

Sin embargo, podemos citar excavaciones subterráneas mineras de carácter permanente; que además de

sus grandes dimensiones, son el centro de trabajo de personal y equipo costoso, debiendo permanecer

operativas durante la vida útil de la mina, tal es el caso de piques, galerías y/o rampas de extracción,

cámaras de izaje y/o bombeo.

Asimismo tenemos el caso de minados de alta productividad, donde resulta imprescindible predecir el

comportamiento de la masa rocosa circundante, por su implicancia en los niveles de producción y costos

(p.e. minado subterráneo por cámaras y pilares, minado subterráneo por hundimiento, minado a tajo

abierto).

En el caso de excavaciones subterráneas para obras civiles, estas se caracterizan por su horizonte de

vida útil generalmente mayor a 20 años y porque su ámbito involucra a mayor población, tal es el caso

de: túneles de carretera, túneles de aducción o túneles de presión de centrales hidroeléctricas.

Los recursos destinados al estudio de la estabilidad de una excavación en roca están directamente

relacionados con el tiempo durante el cual ésta preste servicio y/o la economía involucrada en su

excavación.

En la disciplina Mecánica de Rocas, el “material de construcción” (masa rocosa) se caracteriza por ser

discontinuo, anisotrópico y no estandarizado (a diferencia del concreto, fierro de construcción y/o acero

estructural); por ello incluye muchos aspectos no considerados en otros campos de la mecánica

aplicada:

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- Estudio y selección geológica del lugar.

- Medición o estimación de los esfuerzos de campo iniciales.

- Muestreo y determinación de las propiedades físicas y mecánicas de la masa rocosa.

- Diseños fundamentados en:

a) Modelos empíricos: basados en la determinación cuantitativa de factores relevantes en el

comportamiento mecánico y correlación estadística de casos anteriores.

b) Modelos numéricos: basados en principios de la teoría de la elasticidad y en la teoría de la plasticidad.

Todo lo anteriormente desarrollado nos permite expresar que los ensayos de laboratorio permiten

caracterizar al material estructural (masa rocosa) con fines de diseño y construcción.

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LABORATORIO N° 1

DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE LAS ROCAS

(Humedad, porosidad, densidad seca y absorción)

Objetivo

Determinar las propiedades físicas de las rocas.

Uso

Durante todos los ensayos que se realizan en laboratorio es importante determinar el valor de humedad

de la roca para luego anotarla en el informe ya que los resultados pueden variar según el contenido de

agua.

La presencia de poros en la estructura de un material de roca hace que decrezca su resistencia y se

incremente su deformabilidad. Una pequeña fracción de volumen de poros puede producir un efecto

apreciable en las propiedades mecánicas de las rocas.

En algunos casos el valor de porosidad es suficiente pero para una descripción completa se requerirá

además del valor de densidad. Un valor bajo en la densidad seca de la roca generalmente concuerda con

un valor de porosidad alto.

El valor de densidad es utilizado para obtener el peso (TMS) a partir del conocimiento del volumen (m3)

en el cálculo de reservas de mineral y como dato a introducir en los modelos numéricos.

El valor de absorción nos da una idea de cuánta agua puede introducirse en una roca y por lo tanto

cuanto puede aumentar la presión de poros, lo cual hace que decrezcan los valores de resistencia y

esfuerzo en las rocas.

Base teórica.

Toda roca tiene en su estructura interior una cierta cantidad de espacios libres, los cuales normalmente

están rellenos con líquidos y/o gases (en general agua y aire).

Esto hace que se pueda considerar a la roca como un material de tres fases: sólida (material mineral),

líquida (agua u otros líquidos) y gaseosa (aire u otros gases). Entonces toda roca puede encontrarse en

alguna de las siguientes condiciones: saturada, con las tres fases o seca.

En la figura 1 se muestran las tres condiciones, donde las cantidades en unidades volumétricas están al

lado izquierdo y las cantidades en unidades gravimétricas al lado derecho de los diagramas.

Las propiedades físicas podrán ser definidas en los siguientes términos:

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DIAGRAMA DE TRES FASES PARA ROCAS

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Equipo

- Un horno capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de

3°C por un periodo de 24 horas.

- Una balanza con capacidad adecuada (1500 gr.), capaz de determinar el peso con una aproximación de

0.01 gr.

- Un recipiente con agua para saturar las muestras.

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Procedimiento

- La muestra debe ser representativa y presentar geometría regular (para nuestro caso), cada uno debe

pesar por lo menos 50 gr. o tener una dimensión de por lo menos 10 veces el tamaño máximo del grano,

escogiendo el que sea el mayor.

-La muestra es colocada dentro de un recipiente limpio y seco e introducido en el horno a una

temperatura de 105°C. Se enfría por 15 min aproximadamente y luego se pesa la muestra obteniendo

Mseco.

-Se realiza el procedimiento hasta que el valor de los pesos se diferencien en 0.01 gr, donde el ultimo

valor obtenido sera el peso seco.

- Se sumerge en el recipiente con agua por un periodo de por lo menos 8 horas

- La muestra se coloca en un lugar seco se seca superficialmente con un paño húmedo, teniendo cuidado

de retirar solo el agua superficial y no se pierdan fragmentos de roca. Se pesa obteniendo Msat.

-La operación se repite hasta que los valores de peso saturado se diferencien en 0,01 gr, donde el ultimo

valor será el peso saturado.

Datos de laboratorio

Dimensiones de la probeta:

Donde tenemos:

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(mm)Φ L(mm)

44.61 25.4344.62 25.6844.62 25.4344.62 25.6544.61 25.4344.62 25.57

Donde sacamos el promedio y obtenemos:

= 44.6167(mm)Φ

L=25.5316(mm)

Entonces pasemos a determinar los valores de:

Vol = Volumen probeta (cm3).

Vol= π∅ 2

4xL

Donde obtenemos:

Vol= 39.9174 cm3

Peso natural:

Procedemos a tomar el valor respectivo de la muestra:

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Donde obtenemos: 116.52 gr

Pseco = Peso seco (gr).

Para determinar el peso seco, se llevó a un horno con una temperatura de 105 °C, si la temperatura es mayor, la roca se puede calcinar , siendo cada 8 horas aproximadamente sacado y luego de un enfriamiento moderao se tomo el dato de su peso, obteniéndose:

Pasada Valor (gr)

1 116.522 115.843 115.764 115.735 115.686 115.627 115.61

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Psat= Peso saturado (gr).

Una vez que se obtuvo el peso seco de la muestra, s determino el peso saturado, el procedimiento que se siguió fue:

Se llevo a un recipiente con agua a la muestra por 8 horas, para luego tomar el dato de su peso, y así se sigue sucesivamente hasta que la diferencia de pesos sea de 0,01 gr.

Pesada Valor

1 115.612 116.17

3 116.21

4 116.31

5 116.43

6 116.42

Con estos datos ya podemos determinar los objetivos del ensayo de propiedades físicas:

-Densidad:

Densidad= PsecoVol

(gr/cm3)

Reemplazando : = 115.6139.9174

= 2,8962 gr/cm3

-Densidad saturada

Densidad saturada=Pesosaturado

Volumen (gr/cm3)

Reemplazando: = 116.4239.9174

= 2,9165gr/cm3

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-Porosidad aparente

Porosidad aparente (PA)=Pesosaturado−Pesoseco

Pesosaturado

∗100%

Reemplazando: = 116.42−115.61

116.42 = 0.6957%

-Absorción

Absorción=Pesosaturado−Pesoseco

Volumen∗100%

Reemplazando: = 116.42−115.6139,9174

= 2.02919%

-Pesoespecificoaparente

Pesoespecificoaparente (PEA )=densidad seca x9.8

Reemplazando: =2,8962 gr/cm3 x 9,81 = 28,4117 KN/m3

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PRESENTACION DE RESULTADOS

INFORME : ROCAS I

SOLICITANTE : Ing. VALENCIA CHAVEZ, ELVIS WILLIAM

PROYECTO : DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS

UBICACIÓN : LABORATORIO DE ROCAS-UNI-LIMA

FECHA : Julio, 08 del 2014

MUESTRA : Laboratorio de mecánica de rocas

(Espécimen para ensayo)

Muestra Profundidad Litología

Densidad P.A ABS P.E.A

(m) (gr/cm3) (%) (%) (KN/m3)espécimen de ensayo -

- 2.8962 0.6957 2.02919 28.4117

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ENSAYO DE PROPEDADES FISICAS

Normas sugeridas por eI ISRM (International Society for Rock Mechanics)


LABORATORIO N° 2

ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE

Objetivo

Especificar el equipo, instrumentación y procedimientos empleados para determinar la resistencia

máxima a la compresión sin confinamiento lateral en un testigo cilíndrico de roca.

Uso

El valor de resistencia a la compresión es utilizado para la clasificación del macizo rocoso, como dato en

fórmulas de diseño y como una propiedad índice para seleccionar la técnica de excavación apropiada.

Base teórica

El esfuerzo máximo de compresión es definido como el esfuerzo necesario para producir la fractura del

testigo cilíndrico. Se considera que la fractura ocurre cuando se produce una caída repentina en la

aplicación de la carga, no siendo capaz el testigo de soportar incrementos de carga posteriores.

Para poder relacionar los ensayos es necesario uniformizar los resultados empleando testigos con una

relación longitud/diámetro (l/d) constante. Venant estableció que en ensayos de testigos cilíndricos se

produce una distribución de esfuerzos anómalos en una zona de longitud igual al diámetro del testigo

medida a partir del área de aplicación o contacto de la carga por lo que recomendó el uso de testigos con

relaciones l/d mayores o iguales a 2.

El paralelismo entre las bases es muy importante ya que pequeñas imperfecciones pueden causar

considerables errores en los resultados.

Equipo

- Máquina de ensayos. Una prensa capaz de medir la carga aplicada sobre el testigo, con una capacidad

de carga de 100 toneladas y que cumple con los requerimientos de la Norma ASTM E4 y British

Standard 1610.

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- Bloques de asiento. La máquina de ensayos está equipada con dos bloques de asiento en forma de

disco, de acero con dureza Rockwell HRC 58. Uno de los bloques, el inferior, tiene una base esférica y el

otro, el superior, una base rígida. El centro del asiento esférico debe coincidir con el centro del testigo

que será colocado sobre el. El asiento esférico debe estar siempre lubricado con aceite mineral o grasa

de manera que gire libremente sobre su base.

Procedimiento

- Asegurar que el asiento esférico pueda girar libremente sobre su base.

- Limpiar las caras de los bloques superior e inferior y del testigo.

- Colocar el testigo sobre el asiento inferior. La carga y asiento superior se acercan hacia el testigo

gradualmente hasta que se obtienen un asentamiento uniforme de la

carga sobre el testigo.

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- Muchos tipos de roca fallan por compresión de manera violenta. Una malla protectora se coloca

alrededor del testigo para prevenir posibles daños al volar los fragmentos de roca.

- La carga debe ser aplicada en forma continua con una razón constante de manera que la falla ocurra

entre 5 y 10 minutos después de iniciada la carga.

- Registrar la carga máxima aplicada sobre el testigo.

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DATOS DE LABORATORIO

Datos de medición inicial:

Promediando tenemos:

Diámetro: 4.8375 cm

Altura : 10.04 cm

Se realizó el ensayo respectivo, considerando las medidas de seguridad, obteniéndose:

La carga de rotura es 78,2 KN

Para calcular la resistencia compresiva uniaxial solo de debe determinar el esfuerzo en la

rotura.

σ c=CargaÁrea

= 4 P

π D2

σ c=4∗78,2KN

π∗4.83752 cm2

σ c=4,2547MPa

σ c=4,2547MPa

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h (cm) (cm)φ

10.05 4.8410.03 4.85

10.05 4.82

10.03 4.84


Estado final del testigo:

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PRESENTACION DE RESULTADOS

INFORME : ROCAS I

SOLICITANTE : Ing. VALENCIA CHAVEZ, ELVIS WILLIAM

PROYECTO : DETERMINACION DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESION UNIAXIAL DE LA ROCA INTACTA.

UBICACIÓN : LABORATORIO DE ROCAS-UNI-LIMA

FECHA : Julio, 08 del 2014

MUESTRA : Laboratorio de mecánica de rocas

(Testigo)

Muestra Resis. Compres. uniaxial

(MPa)Testigo

4,2547MPa

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ENSAYO DE RESISTENCIA COMPRESIVA NO CONFINADA

Normas sugeridas por eI ISRM (International Society for Rock Mechanics)


LABORATORIO N° 3

ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA (Brasileño)

Objetivo

Este ensayo tiene por finalidad determinar el esfuerzo de tracción de una roca a través de la aplicación

de una carga lineal de compresión sobre un diámetro del disco de roca a ensayar.

El esfuerzo de tracción debería ser obtenido de un ensayo de tracción uniaxial directa, pero este ensayo

es difícil y caro de ser realizado repetidamente.

Uso

El valor de esfuerzo a la tracción se utiliza para graficar el circulo de Mohr c,t en la envolvente de

esfuerzos.

Teoría

En este ensayo, el disco de roca es sometido a una carga lineal de compresión actuando sobre un

diámetro. El resultado de este esfuerzo de compresión es una tensión horizontal y un esfuerzo de

compresión vertical variable.

Cerca de los bordes de contacto, los esfuerzos compresivos toman valores máximos, lo que puede causar

un fracturamiento local. Esta anomalía se reduce empleando testigos con relación espesor/diámetro de

0.5 y colocando un apoyo adicional entre la roca y los bloques de la máquina en los puntos de carga.

La fractura inicial producida sobre el testigo será el resultado del esfuerzo de tracción que ocurre en el

centro del disco. Esta fractura es inducida, por lo que el resultado del esfuerzo a la tracción obtenida a

partir de este ensayo será algo mayor del que se obtiene de un ensayo de tracción directa en donde el

testigo tiene más opción a fallar por la zona de menor resistencia.

Equipo

- Máquina de ensayos. Una prensa que puede aplicar y medir la carga diametral sobre el testigo, con una

capacidad de carga de 100 toneladas y que cumpla con los requerimientos de la Norma ASTM E4 y

British Standard 1610.

- Apoyos suplementarios. Entre el testigo y los bloques de apoyo se colocan unos apoyos adicionales que

permiten reducir la alta concentración de esfuerzos. Estos apoyos pueden ser pedazos de cartón grueso

(0.01D de espesor).

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Preparación de testigos

- Los testigos deben ser discos circulares con una relación espesor/diámetro entre 0.5 y 0.75.

- El diámetro del testigo debe ser por lo menos 10 veces mayor que el grano más grande del mineral que

forma la roca. Un diámetro de 4.92 cm por lo general satisface este criterio. Cuando el diámetro es

menor que el indicado y se deben ensayar pues no hay disponibilidad de material, se debe anotar este

hecho en el informe.

- Se determinará el diámetro del testigo con una aproximación de 0.1 mm. Se tomará tres medidas y

obtendrá el promedio. Una de las medidas debe ser tomada en el diámetro que se va ensayar.

- Se determinará el espesor del disco con aproximación de 0.1 mm. Se tomará tres medidas y obtendrá el

promedio. Una de las medidas debe ser tomada en el eje del disco.

Procedimiento

- La orientación vertical del testigo esta determinada por el diámetro trazado en cada testigo, de manera

que esta línea debe ser usada para centrar al testigo en la máquina de ensayos y asegurar una

orientación apropiada.

- El testigo debe ser instalado en la máquina de ensayos asegurando que la carga sea aplicada sobre el

diámetro trazado y que los apoyos adicionales coincidan también con la superficie de apoyo.

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- Aplicar la carga normal con velocidad constante de manera que la falla se produzca entre 1 y 10

minutos luego de iniciar el ensayo dependiendo del tipo de roca.

- Registra el valor máximo de la carga aplicada sobre el testigo.

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Cálculos

El esfuerzo de tracción indirecta del testigo se halla calculando como sigue:

t= 2 PπLD

t = esfuerzo de tracción indirecta, MPa o kg/cm2

P = máxima fuerza aplicada sobre el testigo, kg

L = espesor del testigo, cm

D = diámetro del testigo, cm

DATOS OBTENIDOS

Con el presente ensayo plantea determinar la resistencia a la tracción de la roca intacta.

Preparación de la muestra

(cm)Φ L(cm)

6.32 2.5

6.32 2.5

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El área será: 31.37 cm2

Donde la fuerza obtenida en el laboratorio nos marca= 12.9 KN

Entonces la resistencia a la tracción será: σt = 2PπDL

Reemplazando:

σt = 5.1977 Mpa

Estado final de la muestra:

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LABORATORIO N° 4

ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Objetivo

El ensayo de corte directo tiene como finalidad encontrar el valor del ángulo de fricción residual (ør) en

testigos de roca que han sido previamente fracturados.

Este ensayo se puede aplicar en rocas duras o blandas y en testigos de roca que contengan planos de

falla o discontinuidades naturales o artificiales (interfase concreto-roca).

Uso

La determinación del esfuerzo cortante de un testigo de roca es importante en el diseño de estructuras

como: taludes de roca, cimentaciones de presas, túneles, piques o chimeneas de minas subterráneas,

almacenes subterráneos y otros.

Aunque se sabe que la predicción exacta del comportamiento del macizo rocoso es imposible.

Base teórica

Es necesario distinguir dos conceptos: ángulo de fricción interna y ángulo de fricción residual. El ángulo

de fricción interna actúa mientras la roca no ha fallado mientras que el ángulo de fricción residual actúa

cuando se ha producido la falla.

En muchas estructuras rocosas se puede observar que la roca se encuentra fracturada; sin embargo, no

se aprecia problemas de sostenimiento, debido a que no se ha producido movimiento relativo entre las

partes falladas y esto se debe principalmente a la fricción residual de la roca.

La figura 1 nos muestra una roca que contiene una discontinuidad. Esta discontinuidad esta todavía

cementada, es decir habría que aplicar una fuerza de tensión para que las dos mitades de la muestra,

una a cada lado de la discontinuidad, se separen.

La discontinuidad es absolutamente planar, no tiene ondulaciones ni rugosidades y la sometemos a un

esfuerzo normal (σn), aplicado perpendicularmente a su superficie y a un esfuerzo cortante (τ )

suficiente para causar un desplazamiento (δ). Para pequeños de esplazamientos, el testigo se comporta

elásticamente y el esfuerzo cortante se incrementa linealmente con el desplazamiento. A medida que las

fuerzas que resisten al movimiento van cediendo, la curva se vuelve no lineal y entonces el esfuerzo

cortante alcanza un pico que es el valor máximo. Después de esto el esfuerzo cortante requerido para

causar desplazamiento cortante cae rápidamente y entonces el valor de esfuerzo cortante se mantiene

constante. A este valor constante llamamos esfuerzo cortante residual.

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Si hacemos un gráfico esfuerzos cortantes máximos vs. esfuerzo normales aplicados en cada ensayo

obtenemos el grafico presentdo. Esta curva aproximadamente lineal, tiene una pendiente igual al ángulo

de fricción máximo e intercepta al eje de esfuerzos cortantes en Cmax, fuerza de cohesión del material

cementante. Este componente de cohesión del esfuerzo cortante es independiente del esfuerzo normal

pero el componente friccional aumenta con el incremento de esfuerzo normal como se muestra en la

siguiente ecuación:

= Cmax + tan ømax

Si graficamos el esfuerzo cortante residual contra el esfuerzo normal constante para cada ensayo

obtenemos el gráfico de la figura 4 y la ecuación:

= tan ør

La ecuación nos indica que el material cementante se ha perdido (C r=0).

Equipo

Máquina de ensayo

Un equipo para aplicar y registrar fuerza normal y fuerza cortante sobre el testigo. Este equipo consiste

de una caja partida diagonalmente. La mitad superior equipada con un pistón vertical para aplicar la

fuerza normal y la mitad inferior equipada con un pistón horizontal para la aplicación de una fuerza

cortante. La caja está diseñada para aceptar testigos de roca con dimensiones no mayores de 115 mm x

125 mm o si es un testigo cilíndrico su diámetro debe ser no mayor de 102 mm y su longitud no mayor

de 120 mm.

La fuerza aplicada por el pisón vertical es transmitida por medio de una bomba hidráulica de operación

manual y es registrada en un medidor de fuerza con escala graduada en 0.25 KN y con capacidad de

medir fuerzas hasta 11 KN. La fuerza aplicada por el pisón horizontal es transmitida por medio de una

bomba hidráulica de operación manual y es registrada en un medidor de fuerza con escala graduada en

0.1 KN y con capacidad de medir fuerzas hasta 5.5 KN. Estas fuerzas deberán estar alineadas con el

centro del plano de corte.

Molde.

Un molde especialmente diseñado para que encaje en el equipo perfectamente (ver figura 6a) y que será

utilizado para encapsular el testigo en una mezcla de concreto de secado rápido. Este molde consta de

dos mitades que tienen la misma forma y dimensiones que la caja del equipo de ensayo.

Medidor de desplazamientos.

Un aditamento para medir el desplazamiento horizontal (dirección de aplicación de la fuerza cortante)

con escala graduada en 0.01 mm con un círculo de graduación de 100 unidades con capacidad de medir

hasta 25 mm.

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Preparación de testigos

a) Se pueden emplear testigos cilíndricos o bloques de roca de geometría regular. El testigo debe tener

las dimensiones adecuadas para que pueda ser colocado en el molde. Los testigos no requieren de

ningún tratamiento superficial ni estar sujetos a condiciones de paralelismo.

b) Seleccionar la discontinuidad o plano de falla a ser ensayado, luego preparar el testigo cortándolo en

dos partes de 40 a 60 mm de longitud a cada lado de la zona seleccionada. Luego unir las dos partes con

cinta adhesiva de manera que se tenga un solo testigo nuevamente.

c) Se prepara una mezcla de arena, cemento y agua de secado rápido y resistencia media. La proporción

en volumen de arena-cemento es de 3 a 2 y se emplea 700 ml de agua para la preparación de un molde.

d) Se coloca el sujetador de testigo sobre el molde y se coloca entre sus agarraderas el testigo teniendo

cuidado que el plano cortante propuesto esté alineado con la posición del plano horizontal de aplicación

de la carga cortante y el eje de aplicación de la carga normal. Se ajusta el sujetador de manera que el

testigo no se mueva de la posición deseada.

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e) Se cubre el interior del molde con una película de grasa para facilitar remover el testigo después del

secado de la mezcla. Verter la mezcla en una mitad del molde con la cantidad suficiente para que cuando

se introduzca el testigo llegue al borde superior del molde. Luego volver a colocar el sujetador con el

testigo introduciendo en la mezcla la mitad inferior. Vibrar el molde de manera que se logre compactar

la mezcla alrededor del testigo sin tocar el plano de falla. Se deja endurecer la mezcla por 24 horas.

f) Se remueven los lados del molde y se arma la otra mitad. También se retira el sujetador. Al igual que la

otra parte la engrasamos y llenamos el molde con la cantidad suficiente de mezcla para que cuando se

introduzca el testigo no sea necesario aumentar o retirar una cantidad considerable de mezcla ya que el

acceso será difícil. La mitad que contiene el testigo la volteamos y la colocamos apropiadamente sobre la

mitad que acabamos de preparar luego ajustamos los tornillos del molde para asegurar el alineamiento

requerido. Se añade o remueve pequeñas cantidades de mezcla con una paleta a través de la ranura.

Dejar secar los moldes tres días como mínimo.

g) Luego se desmolda el testigo y se separan las dos partes cortando la cinta adhesiva, entonces el

testigo estará listo para ser ensayado (figura 6c).

Procedimiento

a) Se registra el diámetro o las dimensiones de la zona escogida para calcular el área de deslizamiento.

b) Se hacen las conexiones hidráulicas.

c) Se coloca el testigo (encapsulado en la mezcla) en la parte inferior de la caja y se coloca la parte

superior de la caja sobre ella. Se hacen coincidir las partes cortadas en forma manual. Se empezará el

ensayo aplicando una carga normal pequeña para mantener la posición.

d) Se fija el medidor de desplazamientos en la parte superior como se muestra en la figura 5 para lograr

registrar los movimientos horizontales.

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e) Se aplica la carga normal requerida con la bomba manual, se registra y se mantiene constante, luego

se aplica la carga cortante gradualmente. Se registran los desplazamientos horizontales y las cargas

cortantes respectivas.

Al llegar al máximo valor de fuerza cortante se registra este valor y su desplazamiento. Se sigue

aplicando carga cortante hasta que ésta se mantiene constante, entonces habremos hallado el valor de

esfuerzo cortante residual.

f) Se repite este proceso incrementando la carga normal con una razón constante. Volvemos a colocar el

testigo en su posición inicial, teniendo cuidado que el detrito producido por el corte no se pierda del

plano de ensayo. Obtenemos en cada ensayo los valores correspondientes al esfuerzo cortante máximo y

residual.

Cálculos

Se calcula el área de ensayo del testigo (A). Usando las medidas de las áreas y las cargas se calculan los

valores de esfuerzo:

- Esfuerzo normal = N donde N es la fuerza normal

- Esfuerzo cortante residual = F donde F es la fuerza cortante

Las unidades empleadas serán:

Para esfuerzos: MPa

Para cargas o fuerzas: Kg.

Para áreas o superficies: cm2

Para desplazamientos: mm x 10 –2

Llevar a un gráfico el registro de esfuerzos cortantes vs. Desplazamientos horizontales

Llevar a un diagrama los valores de esfuerzos normales y sus correspondientes esfuerzos cortantes

residuales. Estos puntos tienden a generar una línea recta. La pendiente de esta recta es el coeficiente de

fricción residual y su ángulo es el ángulo de fricción residual ( ør ).

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DATOS DE LABORATORIO

Se procederá a la tabulación de los datos que se obtuvieron en el desarrollo del ensayo:

Datos del testigo:

Diámetro promedio:4.944+9.945

2=9.9445cm

Área = 77.67 cm2

Fuerza Normal(libras

)

Fuerza tangencial(libras)

δ (mm)

500 250 0.1

370 1,7

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)


δ (mm)

1000 250 0.1

375 0.9500 2.3

520 185


)


δ (mm)

1500 250 0.02

375 0.8500 1.4

625 2.3

750 4.9

780 195

Fuerza Normal(libras)


δ (mm)

2000 250 0.02

375 0.7500 1.1

625 1.9

750 2.8

875 3.9

1000 5.8

1050 192.1


(lbs/cmσ 2) (lbs/cmτ 2)

6.4374 4.7637

12.8749 6.694

19.312 10.042

25.7499 13.5187

32.187 17.70

Determinaremos los parámetros respectivos:

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)


δ (mm)

2500 250 0.03

375 0.8500 1.2

625 2.1

750 3

875 4

1000 5

1025 6.6

1250 7.6

1325 12

1375 173


5 10 15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

f(x) = 0.507925424051811 x + 0.734502308609663R² = 0.984962240415244

Esfuerzo normal

Esf

uer

zo c

orta

nte

res

idu

al

Donde la teoría nos decía que deberían formar una línea recta, entonces el coeficiente de fricción residual es la pendiente de la recta y el ángulo es el ángulo de fricción residual.

Coeficiente de fricción residual: 0.5079

Angulo de fricción residual es: 26.92°

Estado final de testigos:

LABORATORIO N° 5

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

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Objetivo

El ensayo determina el Indice de Resistencia Is (50) en testigos de roca que requieren de poca

preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares.

Uso

Se utiliza en la clasificación de materiales rocosos. También para estimar otros parámetros de esfuerzo

como por ejemplo: Tracción uniaxial o compresión

uniaxial.

Equipo

El equipo utilizado es la versión portátil que consta de:

- Sistema de carga

- Lector de carga

- Lector de distancia

Sistema de carga

Marco de carga

- El marco de carga esta diseñado y construido de manera que por la aplicación repetida de la carga no

se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxiales con una desviación máxima de 0.2 mm.

- Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de testigos de roca con diferentes dimensiones.

Generalmente estas dimensiones varían de 15 a

100 mm.

Dos puntas cónicas

- Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existan problemas de

deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular sean ensayados.

- Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindro hidráulico.

- Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60° y el radio de la esfera es de 5 mm y

deben coincidir tangencialmente. (figura 1)

Cilindro hidráulico

El cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica manual a través del cual se aplica la

carga de compresión sobre la muestra.

Lector de carga

Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máxima de falla.

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Lector de distancia

Un sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra la distancia entre los puntos de

contacto de las puntas cónicas con el testigo.

Calibración

El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de carga certificada y un juego de

bloques para chequear que las lecturas de P y D estén dentro de los rangos previamente establecidos

para este ensayo.

Selección de muestras

- Los testigos pueden tener las siguientes formas:

(a) testigos cilíndricos de roca (ensayo axial o diametral)

(b) bloques cortados (ensayo de bloques)

(c) pedazos irregulares (ensayos de pedazos irregulares)

- Una muestra está definida por un grupo de testigos de similares características geológicas y mecánicas

para el cual se determinara un solo valor de índice de resistencia Is (50).

- La muestra debe contener suficientes testigos con las medidas y formas requeridas para el ensayo

diametral, axial, de bloques o de pedazos irregulares.

Procedimiento

Ensayo diametral (figura 2a)

a) Los testigos de forma cilíndrica apropiados para este ensayo son los que tienen relación longitud/

diámetro mayor que 1.

b) Deben ser por lo menos 10 testigos por muestra y más si la muestra es heterogénea o anisotrópica.

c) El testigo es colocado en la máquina de ensayo y las puntas cónicas deben juntarse hasta hacer

contacto con un diámetro del testigo, asegurando que la distancia L entre el punto de contacto y la base

libre más cercana sea 0.5 veces el diámetro D o mayor.

d) Si la muestra es de material blando de manera que se produzca una significativa penetración de las

puntas en el momento de la falla, debe registrarse esta distancia como D.

e) La distancia D es registrada con aproximación al mm.

f) La carga es aplicada bombeando en forma constante de manera que la falla ocurra dentro de los 10 o

60 segundos de iniciada la carga.

g) Se anota la carga de ruptura P.

h) Si la superficie de falla pasa solo a través de un punto de carga, el ensayo no será considerado válido.

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i) El procedimiento será repetido para el resto de los testigos de la muestra.

Ensayo axial

a) Las testigos cilíndricos utilizados en este ensayo deben cumplir con la relación longitud/diámetro de

0.3 a 1.

b) Las piezas de los testigos que han sido utilizadas en los ensayos diametrales y que cumplen con la

condición a) pueden ser usados en el ensayo axial.

Se repiten los pasos b), c), d), e), f), g), h), i) del procedimiento para el ensayo diametral.

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Ensayo de bloques y pedazos irregulares.

a) En este ensayo se utilizan bloques de roca o pedazos irregulares de dimensiones entre 15 a 85 mm y

de las formas mostradas en la figura. La relación D/W debe ser entre 0.3 y 1.0, preferiblemente cercano

a 1.0.

b) La distancia L deberá ser de por lo menos 0.5 W. Las muestras de este tamaño y forma serán

seleccionadas si están disponibles o deberán ser preparadas, obteniéndolas de piezas grandes.

c) El testigo es colocado en la máquina de ensayos y las puntas cónicas se ajustarán hasta hacer contacto

con la menor dimensión del bloque o pedazo.

d) Se harán por lo menos 10 ensayos por muestra y más si son heterogéneas o anisotrópicas.

e) La distancia D entre los puntos de contacto del testigo con las platinas es tomada con aproximación a

0.1 mm. El ancho W perpendicular a la dirección de carga es anotado con una aproximación al mm. Si los

lados no son paralelos entonces W es calculado como (W1 + W2) / 2.

f) La carga debe ser aplicada constantemente de manera que la falla ocurra entre los 10 y 60 segundos

de iniciada la carga. La carga última P es anotada. El ensayo deberá ser anulado sí la superficie de falla

no pasa a través de los puntos los puntos de aplicación de la carga.

g) El procedimiento se repite para el resto de testigos de la muestra.

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

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Se aplica una carga concentrada sobre una muestra de roca, mediante un par de puntas cónicas, en la

dirección de su menor dimensión, hasta producir la ruptura, se debe buscar que esta se encuentre lo

mas cercanamente posible en la dirección del diámetro, para tener confianza del dato obtenido.

MUESTRA DIMENSIONES CARGA KN

A B C

1 12cm 6cm 5.5cm 32

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Observaciones

En el cálculo de los parámetros obtenidos se usó las unidades recomendadas universalmente, para un manejo acorde con las bases teóricas

Para la ejecución de los ensayos fue necesario la intervención de un supervisor, en caso de presentar dificultades para a realización.

La limitantes que se presento fue el tiempo en el laboratorio y uso de maquinas, debido a su actual demanda que presentaba.

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Recomendaciones

Se recomienda solicitar, o buscar los horarios disponibles del equipo para su ejecución, siendo esto una de nuestras mayores limitantes.

Se debe tener cuidado en cada uno de los ensayos, a diferencia del ensayo de propiedades físicas, los demás son destructivos, donde se generan desintegración de la roca, es recomendable encontrarse a una distancia prudente.

Se debe usar en el laboratorio los correspondientes elementos para la protección del personal.

Estimar el tiempo de preparación para cada uno de los materiales, en el ensayo de carga puntual la preparación requería mayor tiempo.

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Conclusiones

La determinación correcta de los parámetros depende de la manera de realizará el laboratorio (ejecución), un mal manejo o imprudencia en el trabajo nos determinara valores erróneos.

En la ejecución de ensayo de compresión uniaxial, se tuvo la fortuna de poder tomar datos de muestras trabajadas, si para algunas el esfuerzo era 70 KN, para otras muestras puede ser 300 KN, dándonos a entender la diversidad de valores que nos pueden ofrecer las rocas..

Un correcto ensayo destructivo, es aquel que se realiza el corte aproximadamente en la sección diametral del material, por tal motivo o se debe tener una gran experiencia o es recomendable manejar muestras de reserva.

El uso de un software para la determinación de los parámetros, nos daría la eficacia en la determinación de parámetros, es recomendable el uso del software RocLab, para el presente trabajo no se tomo en cuenta, debido a la realización del ensayo de compresión triaxial.

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Bibliografía

ASTM D2216-98ISRM Suggested Methods for Determining Water Content, Porosity, Density, Absorption and Related Properties.

ASTM D2938ISRM Suggested Method for Determination of the Uniaxial Compressive Strength of Rock Materials

ASTM D 3967ISRM Suggested Method for Determining Indirect Tensile Strength by the Brazil Test

ASTM D 5607-95ISRM Suggested Method for In Situ Determination of Direct Shear Strength.

ASTM D 5731-95ISRM Suggested Method for Determining Point Load Strength

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Documents

Mecánica de Rocas 4 Trabajo Finalizado