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Ensayos de deformabilidad de rocas, in situ...

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Ensayo de deforma deformabilidad bilidad de rocas in ssitu itu

Índice

Introducción...........................................................................................4 Procedimientos a la hora de elegir un área para hacer algún proyecto o un ensayo in situ....................................................................................5 Parámetros de la Mecánica de Rocas...................................................6 Propiedades mecánicas de las rocas....................................................6 Resistencia y Deformabilidad de las Rocas..........................................7 Resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos...........................7 El criterio de Mohr-Coulomb................................................................10 La deformabilidad................................................................................11 La Permeabilidad.................................................................................12 Deformabilidad del macizo rocoso Ensayos “in situ” de la deformabilidad.....................................................................................14 Métodos para la Evaluación de la Deformabilidad del Macizo Rocoso .............................................................................................................14 Ensayos in Situ: Ensayo de compresión con gato / placa de carga....15 Método de Boussinesq........................................................................19 Definición del Método de Boussinesq..................................................20 Ensayos in Situ: Ensayo con ondas de sonido....................................21 Cross Hole y Down Hole......................................................................22 Evaluación de Eest con ondas sísmicas:............................................26 Ensayos en laboratorio para determinar la deformabilidad de las rocas .............................................................................................................27 Ensayo de corte triaxial.......................................................................27 Ensayo Uniaxial...................................................................................28 Ensayo de tracción..............................................................................29 Conclusión...........................................................................................30

Bibliografía...........................................................................................31

Introducción El muestreo e identificación de materiales del subsuelo, implica técnicas complejas acompañadas de procedimientos e interpretaciones diferentes, las cuales están influenciadas por condiciones geológicas y geográficas, por el propósito de la investigación y por los conocimientos, experiencia y entrenamiento del Ingeniero. Los ensayos in situ son literalmente los que se realizan en el mismo lugar donde se encuentra el objeto de análisis. En geotecnia, se aplica el término a los ensayos que se realizan sobre un terreno para determinar sus características. En construcción suele emplearse para definir los ensayos de materiales a pie de obra, sobre todo en los elementos de cimentación. Forman parte de las técnicas de reconocimiento geotécnico, constituyendo una alternativa o complemento a los ensayos de laboratorio sobre muestras extraídas. De acuerdo al estudio que se quiera realizar, ya sea en roca, suelo, o si se quiera alguna característica específica, el tipo de ensayo in situ y los materiales o maquinarias que se requieran puede variar. Estos estudios nos permiten predecir el comportamiento de las muestras de macizos rocosos, por medio de las propiedades mecánicas de las rocas. Las propiedades mecánicas de las rocas se las puede determinar tanto en laboratorio, en el campo y en el sitio mismo de la obra.

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Procedimientos a la hora de elegir un área para hacer algún proyecto o un ensayo in situ  Un estudio adecuado del suelo y de la roca, proporciona la información pertinente para decidir sobre uno o más de los siguientes puntos.  Localización tanto vertical como horizontal de la obra propuesta.  Localización y evaluación del material de préstamo, escogencia del material seleccionado de cantera o localización de la fuente local de materiales de construcción, para su empleo como agregados para la vía o para las estructuras, para materiales de filtro o para la protección de taludes.  Necesidad de cualquier tratamiento o drenaje de la subrasante o de la fundación del terraplén.  Necesidad de técnicas especiales para la excavación y el drenaje.  Desarrollo de investigaciones subsuperficiales detalladas para estructuras específicas.  Investigaciones de estabilidad de taludes en cortes y terraplenes.  Necesidad de identificación de áreas que requieren especial protección del medio ambiente.  Necesidad de controlar problemas de construcción.

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Parámetros de la Mecánica de Rocas La deformabilidad de los macizos rocosos Relación entre esfuerzo – deformación La resistencia de los macizos rocosos Condiciones que producen su ruptura Estado del esfuerzo en condiciones iniciales Estado de los esfuerzos que se desarrollan en los macizos en virtud de las solicitaciones aplicadas  Problemas estáticos y dinámicos debidos al flujo de agua.      

Propiedades mecánicas de las rocas Son de tipo cuantitativo que permiten predecir el comportamiento mecánico de los macizos rocosos y son directamente aplicables dentro del diseño ingenieril. Las propiedades mecánicas más importantes son: 1. Deformación 2. Resistencia 3. Permeabilidad

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Resistencia y Deformabilidad de las Rocas La resistencia y deformabilidad de las rocas van de la mano porque el comportamiento de las rocas está definido por su resistencia y deformabilidad. La resistencia, como se ha definido anteriormente, es el esfuerzo que soporta una roca para determinadas deformaciones. Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin confinar se denomina resistencia a compresión simple, y su valor se emplea para la clasificación geotécnica de las rocas. La resistencia tiene tres esfuerzos como variables: 1. De compresión: que tiende a disminuir el volumen del material. 2. De tensión: que tiende a crear fracturas en el material. 3. Cortante: que tiende a desplazar una parte de la respecto a las otras.

roca

con

De acuerdo con esto la roca puede presentar resistencia a la compresión, resistencia cortante o resistencia a la tensión.

Resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos La resistencia de los macizos rocosos es función de la resistencia de la matriz rocosa y de las discontinuidades, siendo ambas extremadamente variables, y de las condiciones geoambientales a las que se encuentra sometido el macizo, como las tensiones naturales y las condiciones hidrogeológicas. La presencia de zonas tectonizadas, alteradas o de diferente composición litológica, implica zonas de debilidad y anisotropía con diferentes comportamientos y características resistentes. Estas circunstancias determinan una gran complejidad en la evaluación de la resistencia de los macizos rocosos.

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El criterio de Mohr-Coulomb El criterio de Mohr-Coulomb (que es aquel círculo que se puede observar en la imagen anterior) implica que tiene lugar una fractura por corte al alcanzarse la resistencia de pico del material. La gran ventaja de este criterio es su sencillez. Sin embargo presenta inconvenientes debido a que: 9

Las envolventes de la resistencia en roca no son lineales; se ha comprobado experimentalmente que la resistencia de las rocas aumenta menos con el incremento de la presión normal de confinamiento que lo obtenido al considerar una ley lineal, lo que puede implicar errores al considerar los esfuerzos actuantes, sobre todo en zonas de bajos esfuerzos confinantes.

 La dirección del plano de la fractura según este criterio no siempre coincide con los resultados experimentales.

 El criterio sobrevalora la resistencia a la tracción.

La deformabilidad La deformabilidad es la propiedad que tiene la roca para alterar su forma como respuesta a la actuación de fuerzas. Según sea la intensidad de la fuerza ejercida, el modo en que se aplica las características mecánicas de la roca, la deformación será

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permanente o elástica; en este último caso el cuerpo recupera su forma original al cesar la actuación de la fuerza. Cuando se somete una muestra de roca a una carga esta tiende a cambiar de forma, de volumen o bien las dos cosas simultáneamente. Durante el período de aplicación del esfuerzo, este y la deformación son insaparables, por lo que se acostumbra a estudiar a la deformación mediante gráficas conocidas como EsfuerzoDeformación.

La Permeabilidad Es la propiedad de algunos materiales de permitir el paso de fluidos a través de ellos.

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Curvas de deformación

Una roca es permeable cuando permite el paso de una cantidad medible de fluido en un espacio de tiempo finito La permeabilidad es una característica que hace referencia a la movilidad de los fluidos dentro del medio poroso, es decir, desplazarse dentro de este, por lo que es relevante manejar con gran precisión todos los términos que están involucrados con esta propiedad, debido a que forma parte de uno de los factores prioritarios para corroborar si la producción del yacimiento es rentable. Por medio del análisis de la permeabilidad presente en el yacimiento se puede conocer la tasa de producción, esto implica la cantidad de hidrocarburo que se lograría obtener a lo largo de un tiempo previamente estimado. Una forma de determinar si un material es permeable o no consiste en hacer fluir un flujo a través del material en un tiempo determinado y si sale la misma cantidad de fluido que el que entró, o relativamente igual, entonces se trata de un material permeable Factores que influyen en la permeabilidad:  Temperatura  Existencia de cavidades  Estratificación y estructura

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Representación de un fluido atravesado un medio poroso

Pruebas de Permeabilidad

Deformabilidad del macizo rocoso Ensayos “in situ” de la deformabilidad Existen dos tipos de métodos básicos para determinar la deformabilidad de los macizos rocosos (aplicando la ley de la elasticidad):  Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga)

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⇒Módulo de deformación estático, E est deformación “in-situ”

Módulo de

 Métodos dinámicos (ensayos con ondas de sonido) ⇒Módulo de deformación dinámico, Edin

Métodos para la Evaluación de la Deformabilidad del Macizo Rocoso

Los métodos para la evaluación de la deformabilidad del macizo se pueden clasificar en directos e indirectos. En el primero (directos) se incluyen los ensayos in-situ , mientras que el segundo grupo (indirectos) incluye los métodos geofísicos y una serie de correlaciones empíricas, en laboratorios.

Ensayos in Situ: Ensayo de compresión con gato / placa de carga El ensayo de placa de carga se usa para medir la presión de contacto y la deformación del suelo y roca, el cual debe haberse preparado y limpiado con anterioridad. La realización de este ensayo es simple: se aplica una carga estática sobre un área de suelo, ya sea en la superficie o en el fondo de una zanja, pozo o perforación.

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Este ensayo se conoce también como PLT (Plate Load Test) y en éste, mediante una placa de acero, se transfieren diferentes cargas al terreno, a la profundidad de cimentación. Durante este proceso se registran los asentamientos resultantes, a corto plazo, para cada incremento de carga. La magnitud de la carga, en cada etapa, se divide entre el área de la placa para obtener la capacidad portante última del terreno; esta capacidad última no se emplea directamente en los diseños, sin antes ser afectada (dividida) por un factor de seguridad (entre 2 y 3, dependiendo de la normatividad local), cuyo resultado corresponde a la capacidad portante segura del terreno. Cabe resaltar que este ensayo también presenta ciertas limitaciones

Se aplica una carga sobre una superficie plana de la roca, midiendo la deformación superficial resultante. Se realiza el ensayo con uno o dos gatos. Típicas cargas son de 300 toneladas sobre una placa con una superficie de 1 m2 y 720 ton. sobre 1.2 m2. Muchas veces se llega a tensiones de 100 kg/cm2. La profundidad afectada por el ensayo es más o menos el diámetro de la placa. El resultado es un módulo de deformación global del macizo rocoso.

El ensayo de carga proporciona valores de reacciones a profundidades menores de una posible cimentación, por esto se debe realizar el ensayo a profundidades mayores. Con este ensayo se obtiene la capacidad de carga del terreno más no los resultados sobre los asentamientos de las posibles cimentaciones. 15

Ensayos de compresión con gato / placa de carga

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G áfi

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 Los ensayos de compresión con gato muestran que el módulo del macizo rocoso (Módulo de deformación “in situ”) es siempre inferior al módulo estático (Módulo de Elasticidad o Módulo de Young, E) determinado en el laboratorio a partir de testigos de roca matriz.  Es decir que a la hora de realizar un ensayo de deformabilidad los valores en campo difieren de los valores en el laboratorio, los valores en campo son más bajos que en el laboratorio.  Al aumentar el grado de diaclasado de la roca, el Módulo de deformación “in situ” del macizo se reduce a una pequeña fracción del Módulo de elasticidad determinado a partir de muestras en laboratorio. Valores típicos del Módulo de deformación “in situ”:

Eest (kg/cm2)

Roca Granito Gneis Cuarcita Pizarra

2.5 – 4 x 105 5 4 - 5.5 x 10 5 0.8- 3.5 x 10

Gres compacto Caliza masiva Marga

2 - 3 x 10 5 2 – 6 x 10 5 0.05 - 10

3 – 5 x 105

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Método de Boussinesq Si la roca es homogénea e isótropa, se puede aplicar la solución de Boussinesq: 1. para determinar el asentamiento máximo del macizo rocoso bajo una carga vertical 2. para determinar el Módulo de deformación “in-situ”

ωo =

P(1−υ2) πE est r

ω 0 : desplazamiento normal de la superficie p: carga normal concentrada v: Coeficiente de Poisson Eest: Módulo de deformación “in-situ” r: radio de la placa

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Definición del Método de Boussinesq Cálculo de incremento de esfuerzos inducidos por el Método de Boussinesq Existen varios tipos de superficies cargadas que se aplican sobre el suelo. Para saber de qué manera se distribuyen los esfuerzos aplicados en la superficie al interior de la masa de suelo se debe aplicar la solución del matemático francés Joseph Boussinesq (1883) quién desarrolló un método para el cálculo de incremento de esfuerzos (esfuerzos inducidos) en cualquier punto situado al interior de una masa de suelo. La solución de Boussinesq determina el incremento de esfuerzos como resultado de la aplicación de una carga puntual sobre la superficie de un semi-espacio infinitamente grande; considerando que el punto en el que se desea hallar los esfuerzos se encuentra en un medio homogéneo, elástico e isotrópico. A continuación se detalla el significado de las hipótesis realizadas por Boussinesq. Estas definiciones son realizadas para el contexto específico de incremento de esfuerzos.

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Ensayos in Situ: Ensayo con ondas de sonido Los ensayos de prospección sísmica buscan información del terreno a través de la velocidad de propagación de las ondas. Entre los ensayos que se destacan en este tipo de investigación están: el Cross Hole y Down Hole y los métodos geofísicos. La propagación de las ondas a través del suelo cumple leyes similares a las de la óptica y son de fácil lectura con instrumentos de uso común. Dependiendo de la rigidez de cada tipo de terreno, se podrá transmitir vibraciones a una determinada velocidad; la rigidez se puede caracterizar por medio de la densidad, el módulo de elasticidad, entre otros parámetros. La ejecución de estos ensayos es sencilla; basta con generar una onda sonora (vibración) en el terreno, por un medio mecánico, y medir (mediante geófonos) el tiempo que dicha onda tarda en recorrer la distancia entre el punto de generación y un punto cualquiera en el terreno.

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La prospección sísmica es un tipo de investigación usada en grandes obras para determinar comportamientos del terreno y clase del material subyacente. Una de las finalidades de estos ensayos es determinar a qué profundidad se encuentra la capa portante.

Cross Hole y Down Hole Dentro de los ensayos de prospección sísmica se reconocen dos grupos; los ensayos de superficie y los ensayos de profundidad. En superficie, se tienen las siguientes alternativas: Ensayo de refracción: la generación de la onda y las mediciones de velocidad se hacen en la superficie. La onda llega a un cambio de estrato y recorre cierta distancia sobre éste para luego ascender a la superficie. En esta prueba se pueden determinar los espesores de los estratos y sus módulos de elasticidad. Ensayo de reflexión: la generación de la onda y la medición de su velocidad se hacen desde la superficie. La onda desciende y sube verticalmente al encontrar un cambio de estratificación. Se emplea en estudios geológicos. Los ensayos de profundidad son ensayos usados para medir la velocidad de propagación de las ondas tangenciales. Se clasifican en Down-hole y Cross-hole. Ensayos de Prospección sísmica

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Distribución en campo de los geófonos en el ensayo de refracción sísmica

Reflexión Sísmica

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 El Módulo de elasticidad (deformación dinámica) se deduce de la velocidad de propagación de ondas sísmicas  Se aplica ondas longitudinales de compresión, p (aquellas que se propagan en todos los medios y ondas transversales de corte, s (dependen de la elasticidad de las rocas).

Aplicación de ondas longitudinales

Correlación con parámetros geofísicos para un medio elástico:

vlong: vtrans: Edin: ν: γ:

velocidad de ondas longitudinales velocidad de ondas transversales Módulo de elasticidad / deformación dinámica Coeficiente de Poisson densidad del material

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Con un valor ν = 0.2 la velocidad longitudinal es:

Valores típicos de velocidades de ondas longitudinales:

Material

vp (km/s)

Granito Basalto Caliza Gres Limolita Gneis Mármol Esquisto Arcilla

4.0 - 5.6 5.0 - 6.6 2.8 - 7.1 1.0 - 4.4 1.4 - 4.4 3.5 - 7.5 3.8 - 6.9 2.3 - 5.7 1.2 - 2.5

Evaluación de Eest con ondas sísmicas:

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Schneider (1967) y Bieniawski (1978) proponen:

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Ensayos en laboratorio para determinar la deformabilidad de las rocas Los métodos experimentales para determinar la resistencia y la deformabilidad de las rocas son independientes del criterio de rotura adoptado en cada caso; su finalidad es establecer las relaciones entre los esfuerzos y las deformaciones durante el proceso de carga y rotura, los esfuerzos a que está sometida la roca en el momento de la rotura y sus parámetros resistentes. Estos métodos son los ensayos de laboratorio de uniaxial, compresión triaxial y tracción.

compresión

Ensayo de corte triaxial Es un método de medición de las propiedades mecánicas de muchos sólidos deformables, especialmente suelos (arena, arcilla y roca además de otros materiales granulares.) Hay muchas variantes del ensayo. En un ensayo de corte triaxial, el esfuerzo es aplicado a la muestra de material que está siendo ensayada en una manera la cual produce esfuerzos a lo largo de un eje distinto a los esfuerzos en ...