Propiedades Ingenieriles de Materiales Rocosos

*

Propiedades Importantes

ResistenciaParmetros elsticos (relaciones stress/strain)TexturaPorosidadPermeabilidadDensidad

*

Procesos geolgicos que afectan las propiedades mecnicas

Ambiente de depositacin: Tamao de grano, seleccin, estratificacin, etc. Diagnesis, grado de cementacinHistorial de stressesGrado de compactacinPosibles anisotropasMetamorfismoMagmatismo, cristalizacinMeteorizacin

*

Resistencia del material rocoso.

La resistencia de una muestra de roca intacta depende de la resistencia de los minerales que la componen y de la manera en que ellos estn unidos -ya sea por cristalizacin o cementacin. La resistencia de una roca sedimentaria depende de manera importante del cemento y del arreglo de las partculas.

*

Influyen en la resistencia:

Tamao del granoRedondeamiento del granoEsfericidad del granoContactos entre granosCementacinTipo de cementoGrado de cementacinHistoria de Stress y presiones de confinamiento (especialmente en limolitas, lutitas, arcillolitas).

*

Tipos de Resistencia en Roca Intacta

Al cizalle.A la traccin.A la compresin simple (carga uniaxial).

*

Resistencia al Cizalle

Para roca intacta, se suele usar el modelo de Mohr-Coulomb para resistencia al cizalle, con sus parmetros: Cohesion (aparente): Interseccin de la envolvente de fractura en eje Y (normalmente en MPa para rocas, mientras para suelos en kPa).Angulo de Friccin: Pendiente de la envolvente de fractura.

*

Criterio Mohr-Coulomb

*

Resistencia a la Traccin

*

Resistencia a la Compresin Simple

Es igual a la resistencia mxima en el eje axial en un ensayo uniaxial (no confinado).s1 en falla = UCS (uniaxial compression strength).s2= s3=0

*

Relaciones esfuerzo-deformacin

*

Ensayos de Resistencia

En estados de compresin triaxial, uniaxial o de traccin.Deben simularse niveles de stresses in situ. Preparacin de la muestra puede influir notablemente en los resultados.

*

Todos los ensayos usan fuerzas compresivas.

Traccin

Uniaxial

(No confinado)

Triaxial

*

Ensayos Uniaxiales
(Compresin Simple)

Condiciones no confinadas, s2=s3=0Largo/Ancho debe ser 2.5 a 3.0:1 para evitar efectos de borde. Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del grano.Resistencia a la Compresin Uniaxial: UCS

*

Ensayos Triaxiales

Usualmente en estado biaxial (s2=s3)Razn Largo/ancho 2.0 a 2.5:1 para evitar efectos de bordeExtremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas. Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamao medio del grano.

*

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

Ensayo en Condiciones de Tensin (Test Brasileo)

Otra forma de ensayo uniaxial, s2=s3=0Dimetro: largo debe ser aprox. 1:1Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.

*

Influencia de
Tamao del
Grano

*

*

*

Tabla 4.11 .- Parmetros asociados a la resistencia de las rocas. (Modificado de Waltham,1994).

Roca

Densidad Seca

Porosidad

UCS media

UCS saturada

Mdulo de Elastici-dad

Resisten-cia a la traccin

Resistencia al cizalle*1

ngulo

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

*1 Resistencia al cizalle directo, no confinado.

Evolucin de fracturamiento

Etapa 1: Desarrollo de strain elstico

Etapa 2: Microfracturamiento, strain no recuperable.

Etapa 3: Fracturamiento coalesce y se forma un plano discreto de fractura.

Etapa 4: Cizallamiento

*

Fracturamiento se puede detectar por emisiones acsticas, las que se elevan al cizallar.

*

Las emisiones acsticas han permitido detectar las etapas de fracturamiento en los ensayos de compresin.

*

La fbrica de la roca, puede tener una gran influencia en la resistencia de materiales rocosos.

Ej: efecto del clivaje en una pizarra.

Los materiales geolgicos suelen ser anisotrpicos y heterogneos!!

*

Es posible estimar la resistencia de la roca en terreno.

Ensayo de carga puntual se puede hacer en terreno y laboratorio.

Clasificacin de

Brown (1981)

*

*

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 golpe firme de martillo

Roca moderadamente resistente

50-100

Se marca con el martillo

Roca moderadamente blanda

10-50

No se rompe con la mano

Roca blanda

1.5-10

Se rompe con un elemento punzante

Roca muy blanda

0.6-1.5

Se rompe con la mano

Suelo muy firme

0.3-0.6

Se marca con la ua

Ensayo de carga puntual: El stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, segn el dimetro de la muestra.

*

Relacin Resistencia a la Carga Puntual/ resistencia a la compresin simple

*

Efectos del Agua:

Presiones de poros reducen el stress efectivo, se reducen los contactos entre granos y la resistencia friccional. Induce procesos de meteorizacin.

*

Efecto de presiones de agua en una caliza.

s3= 69 MPa

A mayor presin de poros,baja la resistencia y el comportamiento es ms frgil.

*

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

*

Relaciones Esfuerzo-Deformacin y Constantes Elsticas

*

Deformacin

La deformabilidad de la roca intacta se expresa en trminos de la relacin entre stress y strain en compresin uniaxial.

Curva tpica, deformacin frgil

*

Sin embargo, las rocas se deforman de manera diferente segn sus caractersticas geolgicas.

*

Elasticidad: Mdulo de Deformacin o de Young

*

El mdulo de Young se ve afectado por:
- grado de cementacin
- tamao y forma del grano

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

*

Tambin hay relaciones entre E y la porosidad de la roca.

*

Algunas rocas, especialmente sales y carbonatos a alto s3, muestran un comportamiento dctil.

*

Razn de Poisson

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

Axial Strain

Lateral Strain

*

Mdulo de Cizalle

Igualmente que para esfuerzos normales se define el mdulo de Young, para esfuerzos de corte se tiene el mdulo de cizalle G:

Donde t es el esfuerzo de corte en un plano, y g el strain de cizalle en ese plano. El mdulo de cizalle se relaciona con los otros mdulos elsticos:

*

E y G dan cuenta de la rigidez (stiffness) de la roca. Para rocas istropas, hay un nico valor de E, G y n que la caracterizan. Si la roca no es isotrpica, hay varios valores de E, G y n, y en anlisis stress-strain pasa a ser un anlisis tensorial.

*

*

f

s

t

tan

+

=

c

Tabla

4.11 .- Parmetros asociados a la resistencia de las rocas.

(Modificado de

Waltham

,1994).

Roca

Densidad

Seca

Porosidad

UCS

media

UCS

satura

da

Mdulo

de

Elastici-

dad

Resisten-

cia a la

traccin

Resistencia

al cizalle*

1

ngulo

de

friccin

t/m

3

%

MPa

MPa

GPa

MPa

MPa

f

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

*

1

Resistencia al cizalle directo, no confinado.

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 golpe

firme de martillo

Roca moderadamente

resistente

50-100

Se marca con el martillo

Roca moderadamente

blanda

10-50

No se rompe con la

mano

Roca blanda

1.5-10

Se rompe con un

elemento punzante

Roca muy blanda

0.6-1.5

Se rompe con la mano

Suelo muy firme

0.3-0.6

Se marca con la ua

z

x

e

e

n

-

=

g

t

=

G

)

1

(

2

u

+

=

E

G

property

Rock type

Unit weight

(kNm

-3

)

Porosity

(%)

Mean Particle

diameter (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

Pottsville

Sandstone

25.4

3.0

0.20

230

San Marcos

Gabbro

29.7

0.2

1.00

215

Axial Strain

Axial Stress

Gradient = Young's modulus

Peak Strength

UCS

Residual Strength