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DESCRIPCION DE LOS ENSAYOS DE ROCAS MS RELEVANTES EN LA
EVALUACION DE UN MACIZO ROCOSO
Autor:
Eduardo Henry, Alemn Mamani
[email protected] (950708890); UNA-EPIC; VII SEMESTRE
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RESUMEN
El presente trabajo se basa en conceptos verdaderos sobre los ensayos ms importantes en las rocas al momento de realizar un estudio en un macizo rocoso, se explica en forma sencilla y resumida todo lo bsico a saber sobre los ensayos que tambin son necesarios en otros estudios como: carreteras, puentes, tneles, etc., se tiene muy poca informacin sobre este tema por ser una asignatura que lleva pocos aos de descubierto, sin embargo en los ltimos tiempos ha ganado mucha aceptacin por su gran importancia. El presente trabajo tiene como objetivo servir de apoyo a muchos estudiantes en el curso de mecnica de rocas.
PALABRAS CLAVE: ensayos en rocas, macizo rocoso; mecnica de rocas.
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DESCRIPCION DE LOS ENSAYOS DE ROCAS MS
RELEVANTES EN LA EVALUACION DE UN MACIZO ROCOSO
INTRODUCCION
La descripcin y caracterizacin de los macizos rocosos es muy necesaria en cualquier estudio de ingeniera cuyo objetivo sea el conocimiento de las propiedades geotcnicas de los materiales rocosos. Debido a la gran variedad de condiciones y propiedades, el estudio de los macizos es a veces una tarea compleja, sobre todo si las rocas estn juntas con el suelo o que estn muy intemperizadas, es por ello que para hacer un buen estudio necesitamos realizar unos buenos ensayos de laboratorio. La necesidad de estudiar los macizos rocosos sirve como base para el inicio de algunos proyectos lo cual se convierte en un tema indiscutible, es por ello que este trabajo describir resumidamente en qu consisten tales ensayos de laboratorio y espero sea de mucha ayuda. Todo lo mencionado se desarrolla dentro del curso de mecnica de rocas, que juntamente con la mecnica de suelo forman parte de la moderna geotecnia.
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Toda estructura de ingeniera desarrollada en rocas, requiere para su adecuado
diseo y ejecucin la utilizacin y aplicacin directa de los principios,
metodologas y aplicaciones diversas de la mecnica de rocas dentro de los
cuales se encuentran los ensayos de laboratorio, estos son muy importantes al
momento de realizar un proyecto, y adems nos permiten cuantificar las
propiedades fsicas y mecnicas de la matriz rocosa que definen su
comportamiento mecnico, para un mejor entendimiento es necesario tener claro
unos conceptos:
ROCAS: Son agregados naturales duros y compactos de partculas
minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se
consideran un sistema continuo.
MATRIZ ROCOSA: Es la roca intacta, est exento de fallas, la matriz rocosa
a pesar de considerarse continua, presenta un comportamiento heterogneo1
y anistropo2. Mecnicamente queda caracterizada por su peso especfico,
resistencia y deformabilidad.
DISCONTINUIDADES O FALLAS: Es cualquier plano de origen mecnico o
sedimentario que independiza o separa los bloques de matriz rocosa en un
macizo rocoso. Su comportamiento mecnico queda caracterizado por su
resistencia al corte que se realiza con el ensayo de corte directo que veremos
ms adelante.
MACIZO ROCOSO: Es el conjunto de los bloques de matriz rocosa y de las
discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso.
Mecnicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anistropos y
heterogneos. El macizo rocoso es un material compuesto de mayor
volumen.
Macizo rocoso = Matriz rocosa + discontinuidades
1 Compuesto de componentes o partes de distinta naturaleza. Ejemplo, las zonas con diferentes litologa, grado de alteracin o meteorizacin, contenido en agua, etc. 2 Que tiene propiedades variables segn la direccin en la que se midan. Ejemplo, la resistencia de un macizo rocoso estratificado puede variar drsticamente para las direcciones paralela y perpendicular a la orientacin de los planos de estratificacin.
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Tabla N01: Mtodos para determinar propiedades de la matriz rocosa. Fuente: Luis G. de Vallejo
PROPIEDADES
METODO DE
DETERMINACION
Propiedades
de
identificacin
y
clasificacin
Composicin mineralgica
Fabrica y textura
Tamao de grano
Color
Descripcin visual
Microscopia ptica y
electrnica
Difraccin de rayos
X
Porosidad (n) Tcnicas de
laboratorio Peso especfico ()
Contenido en humedad
Coeficiente de permeabilidad
(k)
Ensayo de
permeabilidad
ndice de alterabilidad Ensayo de
alterabilidad
Resistencia a la compresin
simple (c)
Ensayo de
compresin uniaxial
Ensayo de carga
puntual
Martillo Schmidt
Resistencia a traccin (t) Ensayo de traccin
directa e indirecta
Propiedades
mecnicas
Velocidad de ondas snicas
(vp y vt)
Medida de velocidad
de ondas elsticas
Parmetros C y Ensayo de
compresin triaxial
Mdulos de deformacin
elstica o dinmica
Ensayo de
compresin uniaxial
Ensayo de velocidad
snica
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Para la caracterizacin de los macizos rocosos se requieren realizar los ensayos
en el laboratorio as como tambin en el mismo lugar (ensayos in-situ), algunos
de estos ensayos se mencionaron en la tabla N 01, pero debemos entender que
no estn completos as que en los siguientes tems se mencionaran lo que se
considera ms relevante:
Ensayos de laboratorio:
o Ensayo de compresin uniaxial
o Ensayo de compresin triaxial.
o Ensayo de resistencia al corte.
o Ensayo de traccin indirecta (ensayo brasileo)
Ensayos de campo:
o Ensayo de compresin simple con el martillo Schmidt.
o Ensayo de carga puntual.
o Ensayo tilt test.
o Ensayo de gato plano.
o Ensayo de calidad de la roca (RQD)
1. ENSAYOS DE LABORATORIO.
Los ensayos de laboratorio nos permiten saber de forma aproximada el valor
de las propiedades fsicas y mecnicas de la matriz rocosa, que definen su
comportamiento mecnico:
La naturaleza de la roca.
La resistencia ante la rotura.
La deformacin a corto y largo plazo.
La influencia del agua en el comportamiento.
El comportamiento ante la meteorizacin.
El comportamiento en funcin del tiempo.
Estos ensayos debern ser realizados con la mayor seriedad posible, caso
contrario es posible que se cometa un craso error.
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1.1. ENSAYO DE COMPRESION UNIAXIAL.
Este ensayo permite determinar en el laboratorio la resistencia a la
compresin simple C, es un ensayo para la clasificacin de la roca por
su resistencia. La relacin entre los esfuerzos aplicados en el ensayo es:
1 0; 2 = 3 = 0
Adems de servir para calcular la resistencia a la compresin simple, este
ensayo nos permite calcular las constantes elsticas: el mdulo de
deformacin y el mdulo de poisson.
En este ensayo a medida que aumenta la carga la altura del testigo va
disminuyendo pero el dimetro va aumentando, es por ello que se coloca
las bandas extensometricas (dos axiales y dos laterales) (Fig. ).
En este tipo de ensayos no es posible saber el comportamiento de la roca
despus que alcanza su resistencia mxima porque en ese momento se
produce la rotura de la roca en forma explosiva.
Figura N 01: Esquema del ensayo de compresin simple. Fuente: Pedro R. Oyanguren
(mecnica de rocas en taludes).
1.2. ENSAYO TRIAXIAL (ASTM D-2664)
Este ensayo representa las condiciones de las rocas in situ sometidas a
esfuerzos confinantes, mediante la aplicacin de presin hidrulica
uniforme alrededor de la probeta. Permite determinar la envolvente o
lnea de resistencia del material rocoso ensayado a partir de la que se
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obtienen los valores de sus parmetros resistentes cohesin (c) y
ngulo de friccin ().
Por el nombre del ensayo pareciera que la roca se somete a tres
tensiones principales distintas, lo que en realidad no es as. Lo que se
realiza normalmente es un ensayo biaxial en el cual las dos tensiones
principales menores, es decir 2 y 3, son iguales.
1 > 2 = 3 0
Figura N 02: Esquema de ensayo triaxial. Fuente: Pedro Ramrez Oyanguren (mecnica de
rocas en taludes).
Este ensayo se realiza en probetas cilndricas preparadas similarmente
a las de compresin simple, la tensin axial principal 1, se ejerce sobre
la probeta, mientras que los esfuerzos 2 y 3 van en los extremos tal
como se aprecia en la Fig. 02.
Para llevar a cabo el ensayo triaxial, adems de la clula es necesario
una prensa convencional (Fig. 03) y una bomba capaz de generar la
presin y mantenerla constante durante toda la prueba.
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Figura N03: (izquierda) prensa convencional, (derecha) clula triaxial para rocas.
1.3. ENSAYO DE CORTE DIRECTO.
Este ensayo se realiza a cortante en una falla porque el lugar ms
probable a que la roca quiebre es en la discontinuidad, por ello resulta
ms difcil la toma de la muestra, el traslado a laboratorio y hasta su forma
de ensayar.
Para este ensayo se usa una caja de corte formada por dos mitades o
moldes uno fijo y otro mvil (Fig.4), hay que tener mucho cuidado para
que la discontinuidad quede en direccin paralela al movimiento de corte.
La mquina para realizar este ensayo (Fig. 5) verticalmente acta a
fuerza normal y horizontalmente a fuerza de corte y por ellos tienen dos
dispositivos de medida, como generalmente las discontinuidades son
rugosas se supone que en cierto tramo de la discontinuidad que tiende a
subir, al momento de realizar el ensayo la fuerza normal aumentara ms
en ese tramo pequeo que en el siguiente.
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Figura N 04: Molde para el ensayo de corte directo.
Figura N 05: Mquina que realiza el ensayo de corte directo.
1.4. ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA. (ASTM D 3967)
A diferencia del ensayo de traccin directa este es el ms usado por su
fcil manejo, se dice que es indirecta por que el valor de la resistencia a
traccin que nos brinda surge a partir de una mquina que ensaya a
compresin, esta mquina se utiliza en el ensayo de carga puntual que
se explica en el tem 2.2, las placas de compresin de la maquina tienen
que ser planas.
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Se aplica una carga vertical compresiva sobre un disco o cilindro de roca,
que se coloca en horizontal a travs de dos placas que transmiten la
fuerza. La resistencia a la traccin se obtiene indirectamente con la
frmula:
t =2P
Dt
Donde:
t = Resistencia a la traccin
P = Carga con la que se fractura
D = Dimetro del disco
t = Altura del cilindro
Figura N 06: (Izquierda) ensayo aplicado a la probeta. Fuente: Luis G. de Vallejo. (Derecha)
fracturacin de la probeta. Fuente: Pedro Ramrez Oyanguren
2. ENSAYOS DE CAMPO:
2.1. ENSAYO DE COMPRESIN SIMPLE CON EL MARTILLO SCHMIDT
Es un ensayo in-situ que nos permite obtener la resistencia a la
compresin simple de la matriz rocosa mediante una correlacin con un
grfico, el martillo Schmidt (Fig.07) acta a rebote.
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Para la correcta manipulacin el rea a ensayar debe estar limpia y al
momento de realizar el ensayo el martillo estar de forma perpendicular
a la base, por ser un ensayo rpido (Luis G. de Vallejo, 2002, p.348) dice que deben
realizarse en cada punto de medida 10 percusiones con el martillo, eliminando los 5 valores ms
bajos y tomando el valor promedio de los restantes.
Despus de tener el dato del martillo pasamos al grafico (Fig. 07) que
est en funcin del peso especfico de la roca y de la inclinacin del
martillo.
Figura N 07: (Izquierda), grafico para calcular la resistencia a la compresin. Fuente: Luis G. de
Vallejo. (Derecha), martillo Schmidt sujetado en su base.
2.2. ENSAYO DE CARGA PUNTUAL (ASTM D573195)
(Ramrez, Alejano, 2004, p.45) afirman que el ensayo de carga puntual puede sustituir al de
compresin simple, este ensayo tambin denominado PLT tiene la ventaja de
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realizar la prueba con rocas de forma irregular, aunque se recomienda
ensayarlo en un testigo de 5 cm. por 1.5 veces el dimetro.
Se coloca la probeta en el equipo (Fig. 08) y se tapa los costados por
seguridad, el tcnico que lo realiza debe usar lentes, los datos de estos
ensayos que se observaran en el manmetro son muy variables para
cada ensayo y por eso se recomienda hacer varios de ellos para poder
obtener un dato fiable.
Con el dato del manmetro se puede calcular un ndice que despus ser
correlacionado con la resistencia a la compresin simple. Is = P D2
siendo P la carga de rotura y D el dimetro y finalmente la resistencia a
la compresin simple es: c = 24 Is, para dimetros diferentes a 5 cm.
se realiza una correccin del Is con el siguiente grafico
Figura N 08: (Izquierda), tabla para corregir el Is . Fuente: Luis G. de Vallejo. (Derecha), equipo
de carga puntual
2.3. ENSAYO TILT TEST
Este ensayo nos permite determinar el angulo de friccin bsico que
ser obtenido cuando se realice una inclinacin sobre discontinuidades
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planas, secas y cerradas en el laboratorio, pero este mtodo resulta muy
difcil.
En 1981 observaron que es mucho ms sencillo obtener testigos que las
placas de las discontinuidades y se propuso realizar el ensayo con 3
testigos dejando que uno de ellos resbalara sobre las otras 2 con un
ngulo , para despus calcular el angulo de friccin bsico de la
siguiente manera.
b = arc. tan (2
3 tan)
Figura N 09: Equipo para realizar el ensayo TILT TEST
2.4. ENSAYO DE GATO PLANO
Los esfuerzos horizontales en un macizo rocoso estn afectados por el
movimiento de las placas tectnicas y los verticales por su altura, el
clculo de los esfuerzos verticales no resulta difcil, el verdadero
problema es el clculo de los esfuerzos horizontales.
El mtodo del gato plano nos permite hallar esos esfuerzos horizontales
para lo cual antes de iniciar el ensayo se fijan en la pared rocosa unos
pernos o clavos y se miden su separacin, luego se libera un espacio en
la roca entre los puntos marcados con una sierra o perforacin lo que
provoca un acercamiento entre los puntos que tienden a cerrarse por la
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liberacin de esfuerzos, se miden las deformaciones, pasado un tiempo
se introduce un gato plano en ese espacio hasta que la distancia entre
los puntos vuelvan a ser iguales, esta presin aplicada se considera igual
al esfuerzo de la roca antes de realizar la perforacin.
2.5. ENSAYO RQD
Al momento de hacer los sondeos exploratorios en rocas, generalmente
se hace con las brocas de diamantina y se extrae una muestra larga como
en la Fig. 10.
Figura N 10: Muestra de sondeo exploratorio. Fuente: Luis G. de Vallejo
El ensayo RQD que significa designacin de la calidad de la roca es un
dato que se obtiene inmediatamente despus del sondeo exploratorio.
Muchas veces el sacar la muestra se malogra el testigo creando fracturas
inducidas, para calcular el RQD se utiliza la siguiente relacin:
RQD = longitud de testigos > 10 cm
longitud total 100
La calidad de la roca se describe en funcin de este ndice:
Tabla N 02: calidad de la roca
RQD % CALIDAD
< 25 Muy mala
25-50 Mala
50-75 Media
75-90 Buena
90-100 Muy buena
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RESULTADOS DE LA INVESTIGACION
De los 9 ensayos discutidos el ms sobresaliente de todos es el ensayo
triaxial porque no hay otra manera de obtener casi exactamente los
parmetro de cohesin y friccin, y lo mejor de todo es el que ms simula
las condiciones naturales de la roca, pero as como es un buen ensayo
tambin tiene alto costo y por ello se debe realizar siempre con la mayor
seriedad posible.
DISCUSION DE LOS RESULTADOS
Existen otras formas de calcular la cohesin y friccin como por ejemplo
la clasificacin geomecnica por BIENAWSKI3, pero este cuadro nos da
los resultados en intervalos muy grandes hacindolos desconfiables.
CONCLUSIONES
En conclusin para estudiar un macizo rocoso el primer ensayo que
se realizara es el ensayo de compresin simple con el martillo
Schmidt
En conclusin el ensayo ms difcil de ejecutar es el de corte directo
por su complejidad desde el sacado de la muestra hasta la parte del
ensayo
REFERENCIAS CONSULTADAS
Gonzales de Vallejo, L. I., (2002). Ingeniera Geolgica. Espaa: Ed. PEARSON EDUCACION Ramrez, P., (2004). Mecnica de rocas en taludes. Espaa: Ed. Master
3 Gonzales de Vallejo, L. I., (2002). Ingeniera Geolgica. Espaa: Ed. PEARSON EDUCACION. Pg. 232
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