02 - Propiedades Roca Intacta

2. PROPIEDADES DE LA ROCA INTACTA

Propiedades ndice


POROSIDAD

Se llama porosidad de una roca al cociente que resulta de dividir su volumen devacos Vv, entre su volumen total Vm y se expresa en porcentaje:

Su valor vara desde 0.1 % en rocas de porosidad reducida hasta 20 % en rocasmuy porosas. En las primeras, la porosidad est constituida por fisuras alargadasde espesor muy pequeo producidas por esfuerzos de origen trmico y/o tectnico.En las muy porosas existen oquedades menos alargadas y equidimensionales, queson conductos de disolucin en rocas sedimentarias o burbujas de gas atrapadasdurante el enfriamiento de las rocas gneas.

La porosidad es correlacionable con el peso volumtrico, deformabilidad,resistencia y velocidad de las ondas ssmicas en rocas pertenecientes a la mismaformacin litolgica.


Correlacin entre porosidad, resistencia a la compresin simple y mdulotangente inicial de dos formaciones de roca caliza.


DETERMINACIN DE LA POROSIDAD:

a) Porosmetro de Farran y Thnoz:



b) Mtodo de Walsh

c) Porosidad absoluta

Permite conocer la cantidad total de poros y discontinuidades sin importar suorigen y se puede calcular de manera indirecta mediante la siguiente expresin:


DENSIDAD DE SLIDOS

La expresin anterior supone que la densidad de slidos es conocida. Dicha densidad sepuede determinar moliendo la roca, y usando los procedimientos de mecnica de suelos. Porotra parte, dado que una roca est formada de diferentes minerales, todos ellos de diferentedensidad de slidos; la Ss de la roca puede conocerse si se conocen los porcentajes de losdistintos minerales que constituyen la roca mediante el uso de microscopios o del anlisispetrogrfico de secciones delgadas. As pues, la densidad de slidos de la roca se puedecalcular con el promedio pesado de las densidades de slidos de cada tipo de cristales con lasiguiente expresin:


PESO ESPECFICO

El peso especfico volumtrico m, de una muestra de roca con la humedad natural es elcociente del peso de la muestra, Wm, entre el volumen de la muestra Vm. El peso volumtricoseco d, es el cociente del peso seco de la muestra Ws, entre el volumen de la muestra Vm.

Mediante la balanza (fig. 2.4) se obtiene el volumen de la muestra Vm de la manera siguiente:en el platillo izquierdo se coloca una tara igual al peso de la muestra, y abajo del derecho lamuestra sumergida en un recipiente que contiene mercurio. En el platillo derecho, adems delpeso propio de la muestra, se tiene el empuje ascendente que sufre la muestra (13.6 Vm) y elpeso de taras conocidas Q para equilibrar la balanza. De este modo se puede establecer laecuacin:


CONTENIDO DE AGUA

Al aumentar el contenido de agua de una muestra de roca, disminuye suresistencia a la compresin simple. La presencia del agua en las fisuras de la rocaprovoca la reduccin de la energa superficial de sus minerales, o sea, la cohesinde la roca disminuye por la simple presencia del agua en los poros; enconsecuencia, al saturarse la muestra, su deformabilidad aumenta y su resistenciaa la compresin simple disminuye. La reduccin de resistencia puede ser notoria,como en el caso de una cuarcita en la que se vari el contenido de agua de0.005% a 0.09% pasando del estado seco al saturado, su resistencia vari de1900 Kg/cm2 a 900 Kg/cm2.


ALTERABILIDAD, DURABILIDAD Y GRADO DE ALTERACIN

La durabilidad de las rocas es una propiedad de importancia en todas las aplicaciones de lasrocas. Los cambios en su composicin mineralgica o en la estructura producidos por laexfoliacin, hidratacin, disolucin, oxidacin, abrasin y otros procesos, en resumen sealteran y de ello se distinguen dos caractersticas de las rocas: su alteracin y su alterabilidad.

El grado de alteracin de una roca es un parmetro con el que se trata de definir el estadopresente de la roca; la alterabilidad es la capacidad de una roca para alterarse en el futuro,bajo las condiciones predominantes en el sitio; por tanto la durabilidad es lo contrario dealterabilidad.

La prueba ndice de alterabilidad-durabilidad fue diseada por Franklin y Chandra (1972). Elaparato consiste en un tambor de 140 mm de dimetro y 100 mm de longitud con una mallade 2 mm formando paredes cilndricas.

Se colocan aproximadamente 500 gr de roca rota en 10 pedazos, dentro del tambor; eltambor se pone a girar durante 10 minutos a 20 rpm para dar a la roca un bao de agua.Despus de estos 10 minutos de rotacin a velocidad baja, se calcula el porcentaje de rocaretenida por la malla con respecto al peso seco inicial, este porcentaje se reporta como ndicede alterabilidad durabilidad. Otro autor, Gamble, (1973) propuso que se realice un segundociclo tambin de 10 minutos despus de secado el material.


Los valores del ndice de alterabilidad-durabilidad de las pizarras y lutitasprobadas por Gamble variaron de 0 al 100 %. No est claro cual es larelacin entre la durabilidad y la edad geolgica pero si se sabe que ladurabilidad crece linealmente con la densidad e inversamente con elcontenido de agua natural. Basado en sus resultados Gamble proponeuna clasificacin segn la durabilidad y que se dan en la tabla siguiente.


Por otra parte, cuando se altera una roca, aumenta su porosidad, tanto porla expansin de la roca como por la disolucin parcial de suscomponentes. Por tanto, las clasificaciones de las muestras de rocaprovenientes de una formacin rocosa dada, adoptando como criterios elgrado de alteracin o la porosidad sern idnticas. Sin embargo, resultadelicado conocer la porosidad de una roca. Por esta razn, tomando encuenta la existencia de una relacin entre esta magnitud y el peso de aguaabsorbida por la muestra previamente secada al sumergirla, se ha optadopor definir el grado de alteracin como:


NDICE DEL GRADO DE FISURACIN

Tal como se mencion antes, la porosidad de fisuracin est directamente ligada a la resistenciaa la compresin simple de la roca, al mdulo de deformabilidad inicial tangente y a la velocidadde las ondas longitudinales y transversales entre otras propiedades. La velocidad de transmisinde ondas sonoras a travs de una roca depende exclusivamente de sus propiedades elsticas yde su densidad. En la prctica, las fisuras del espcimen introducen un cierto efecto. De estehecho, se desprende que la velocidad de las ondas snicas puede usarse para conocer el ndicedel grado de fisuracin de una roca. Fourmaintraux propone el siguiente procedimiento: primero,calcular la velocidad de las ondas longitudinales (Vl*) como si el espcimen no tuviera poros nifisuras. Si la composicin del mineral es conocida, Vl* se puede calcular como:

donde Vl*i es la velocidad longitudinal correspondiente al mineral i cuya proporcin delvolumen de la muestra de roca es Ci


Valores promedio de velocidad longitudinal para diversos minerales constituyentesde rocas


El paso siguiente consiste en medir la velocidad de las ondas longitudinales Vlde la muestra de roca (velocidad snica). Con estos valores se puede definir unndice de calidad IQ (%) con la siguiente expresin:


Determinacin de la velocidad de ondas snicas en laboratorio para rocas

El ensayo de velocidad snica permite medir la velocidad de las ondas elsticaslongitudinales y transversales, Vp y Vs, al atravesar una probeta de roca seca osaturada. La velocidad de las ondas est relacionada con las caractersticasmecnicas del material, su resistencia y su deformabilidad, y a partir de ella secalculan los mdulos de deformacin elsticos dinmicos: Ed y d .El ensayo consiste en transmitir ondas longitudinales mediante compresinultrasnica y medir el tiempo que tardan dichas ondas en atravesar la probeta. Deigual forma se transmiten ondas transversales o de corte mediante pulsos snicos yse registran los tiempos de llegada. Las velocidades correspondientes Vp y Vs , secalculan a partir de los tiempos. El transmisor o generador de la fuerza compresiva yde los pulsos, se fija sobre un extremo de la probeta, y en el otro se sita el receptorque mide el tiempo que tardan las ondas en atravesar la longitud de la muestra deroca.


El receptor puede tambin colocarse en un lateral de la probeta, variando as ladistancia a recorrer por las ondas. Las probetas pueden ser cilindros o bloquesrectangulares, recomendndose que su mnima dimensin sea al menos de 10veces la longitud de onda. La velocidad de las ondas de corte Vs esaproximadamente dos tercios de la velocidad Vp de las ondas longitudinales. Losmdulos elsticos dinmicos del macizo Ed y d se obtienen a partir de las frmulas:

donde es la densidad del material rocoso (kg/m3 ) y Vp y Vs son las velocidades delas ondas longitudinales y de corte (m/s).


Velocidad de propagacin de ondas longitudinales en rocas


PERMEABILIDAD

En la mayora de los problemas prcticos, es necesario conocer lapermeabilidad de las rocas. Este dato es til para:

a) prever el flujo y los problemas de estabilidad que este puedeocasionar a excavaciones bajo el nivel fretico,

b) tomar medidas de tratamiento para garantizar un grado razonable deestanqueidad y estabilidad en presas y otras obras civiles.

Es importante sealar que la permeabilidad de una masa de roca puedeser muy diferente de la permeabilidad medida en un espcimen de rocaen el laboratorio. Esto se debe a la presencia de discontinuidades quepueden modificar radicalmente los valores de la permeabilidad medida encampo y la medida en el laboratorio. Es posible y recomendable efectuarpruebas de permeabilidad en campo con el objeto de conocer esteparmetro en el lugar.


Pruebas de permeabilidad en laboratorio

En el laboratorio se mide el coeficiente de permeabilidad al aire y lavariacin con el tiempo de la permeabilidad al agua. El valor delcoeficiente de permeabilidad al aire es un ndice del estado de alteracinde la roca, y la variacin de la permeabilidad al agua es indicativa de laalterabilidad de la roca. la permeabilidad al agua puede disminuir por elsellado de los huecos o fisuras o aumentar por el arrastre de sales. Enambos casos existe una reaccin qumica entre el agua y los mineralesconstitutivos de la roca. Un procedimiento alternativo para medir lapermeabilidad es mediante la generacin de un flujo radial en unespcimen de roca cilndrico y hueco (sensitividad).

Propiedades Mecnicas



COMPRESIN SIMPLE

Es el ensaye de laboratorio que consiste en aplicar a los especmenes de roca,cargas axiales sin confinamiento. Para cada incremento de carga se mide ladeformacin longitudinal del espcimen. Los especmenes son generalmentecilindros de 2.5 a 7.5 cm de dimetro y altura igual a 2 3 dimetros. El dimetroser al menos 10 veces mayor que el mayor tamao de grano de la roca. Laresistencia del espcimen es el valor del esfuerzo bajo el cual el material falla.Dicho esfuerzo se calcula comnmente en MPa o kPa.

Procedimiento:

El ensayo se realiza sobre un cilindro de roca, al que se aplica gradualmentefuerza axial hasta que se produce su rotura. En mquinas de ensayoconvencionales, la variable de control es la fuerza, cuya magnitud y velocidad deaplicacin puede ser controlada. Las deformaciones axiales que se vanproduciendo en la probeta se miden mediante comparadores (micrmetros) obandas extensomtricas. Durante el ensayo se van registrando las curvasesfuerzo-deformacin axial -ax de la probeta. Pueden igualmente medirse lasdeformaciones radiales o transversales de la probeta, obtenindose la curva ax-t.


CLASIFICACIN DE ROCAS DE ACUERDO CON SU RESISTENCIA A LA COMPRESIN SIMPLE

El intervalo de variacin de la resistencia a la compresin simple en rocases usualmente de 5 a 400 MPa. En pruebas de deformacin bajo cargaconstante (creep) se requiere adaptar al marco de carga un sistema decontrol de resortes, hidroneumtico, electroneumtico o electrnico paramantener la carga constante durante la deformacin del espcimen.


FACTORES QUE AFECTAN A LA MEDIDA DE LA COMPRESINUNIAXIAL DE LAS ROCAS

En los resultados de los ensayos de laboratorio influyen tanto los factoresreferentes a la naturaleza y condicin de la roca como a las condicionesdel ensayo. Los factores externos ms importantes son:

Geometra de la probeta (forma, relacin de esbeltez y tamao). Preparacin y tallado de la probeta. Direccin de aplicacin de la carga (en rocas con anisotropa). Velocidad de aplicacin de la carga. Friccin entre platinas Ambiente Confinamiento


Los factores internos ms importantes son:

Tipo de roca. Cementacin. Textura. Contenido de agua. Mineraloga Porosidad Tamao de grano Orientacin de los granos minerales


Rocas estratificadas o foliadas (anisotropa)


RESISTENCIA A LA COMPRESIN TRIAXIAL

Los ensayes de compresin triaxial simulan los esfuerzos que soporta lamuestra de roca en la naturaleza. El confinamiento que tienen las rocas enla naturaleza puede definirse como un estado de esfuerzos que es factiblerepresentar con los esfuerzos normales denominados principales (1, 2 y3), que actan en direcciones ortogonales. En la cmara triaxial, porsimplicidad, los esfuerzos principales laterales permanecen iguales durantela prueba (2 = 3).La mayora de los laboratorios emplean aparatos capaces de ensayarmuestras cilndricas de roca de 5 a 7.5 cm de dimetro con carga axial de100 a 200 ton y confinamiento de 300 a 600 kg/cm2. Existe una cmaratriaxial capaz de ensayar ncleos de 15 cm de dimetro y 30 cm de altura yalcanzar 3600 ton de carga axial y 9000 kg/cm2 de presin confinante.Hasta 1963, los ensayes triaxiales se efectuaban sin drenaje ni medicin dela presin de poro. Observaciones posteriores contemplaron la necesidadde medir la presin de poro a fin de obtener una informacin ms realistaacerca de la resistencia de la roca


CORTE ESQUEMTICO DE UNA CMARA TRIAXIAL


CRCULOS DE MOHR Y ENVOLVENTES DE FALLA DE UNA PRUEBA DE COMPRESIN TRIAXIAL


Curvas esfuerzo-deformacin de ensayos triaxiales en roca para diferentesvalores de presin confinante crecientes desde O hasta D


ENSAYES DE RESISTENCIA A LA TENSIN

La resistencia a la tensin obtenida a partir de ensayes de laboratorio, es unparmetro til para el diseo de excavaciones subterrneas y cimentaciones. Esteparmetro debe emplearse con un factor de seguridad. Los ensayes de tensin enespecmenes de roca se han inspirado en las pruebas desarrolladas para probarcilindros de concreto. Estas tcnicas consisten en someter a la muestra de roca a:

a) Directa: Tensin axialb) Indirecta: Compresin diametral (prueba brasilea)c) Indirecta: Flexin

a) TENSIN AXIAL:

Existen dos tcnicas para efectuar esta prueba. Una consiste en transmitir la cargade tensin axial al espcimen de roca con casquetes metlicos cementados a susextremos. En la otra tcnica, la carga de tensin se aplica a los especmenes conmordazas ajustadas a sus extremos que son de mayor seccin transversal que lazona central del espcimen donde se produce la falla.


b) PRUEBA BRASILEA:

Consiste en someter a compresin diametral a un espcimen cilndricoproducindose as esfuerzos de tensin, y, y de compresin x, cuyos valoresmximos son:

De compresin (verticalmente):

De tensin (horizontalmente):

A pesar de que el esfuerzo de tensin inducido es menor que el de compresin, elespcimen falla a lo largo del eje vertical debido a su menor resistencia a la tensin.


c) PRUEBA DE FLEXIN

Consiste en someter a un espcimen de roca simplemente apoyado en sus dosextremos a una carga en el punto medio del claro. Cuando los esfuerzos son msaltos que la resistencia a la tensin de la roca, el espcimen falla. Cuando unacarga P, se aplica al centro de una viga simplemente apoyada de longitud 2L,produciendo una flecha perpendicular y al eje de la viga, el mdulo de elasticidadpromedio a la flexin es :

La resistencia de tensin a la flexin es:

donde

I Momento de inercia de la seccin transversal de la viga. (Para una seccintransversal circular de radio R, I = R4/4; y para una seccin transversal rectangular,I = bh3/12)Y0 Distancia del eje neutro de la viga al punto extremo de la seccin transversal en ellado de tensin.


Los ensayes de tensin axial y brasilea permiten representar el comportamientode la roca en las zonas de los macizos en los que se inducen esfuerzos de tensinal realizar excavaciones o aplicar cargas. Los ensayes de flexin permitenrepresentar el comportamiento de estratos que forman el techo de excavacionessubterrneas.


ENSAYES DE CORTE

Los ensayes de corte de laboratorio pueden emplearse para determinar laresistencia al corte del material intacto y de las juntas rocosas. Debe tenerse encuenta que el valor de la resistencia al corte obtenido en ensayes de laboratorio esigual o menor que el de ensayes de campo, por la influencia de las irregularidadesde las juntas que son mayores que los especmenes ensayados.

La resistencia al corte es una propiedad tanto de la roca intacta como de las juntaso planos de debilidad de los macizos. Existen diferentes tipos de instalaciones delaboratorio para obtener la resistencia al corte de especmenes de roca. Hoekdise una mquina de corte porttil con la cual pueden ensayarse en campo olaboratorio muestras de sondeos que contengan una discontinuidad.

Esta prueba consiste en provocar una falla por corte a travs del material intacto enun plano seleccionado previamente o a travs de un plano de debilidadpreexistente. La muestra se prepara con una ranura o cementndola en un molde.

Las pruebas de corte simple o directo se efectan aplicando al espcimen unacarga normal constante N y una carga tangencial T; que se incrementa desde cerohasta un valor mximo. Durante el ensaye se miden los desplazamientos vertical yhorizontal de la parte superior del espcimen con respecto a la inferior


ESPECIMENES DE ROCA PARA PRUEBAS DE CORTE DIRECTO


DISPOSITIVO PARA EL ENSAYE DE CORTE DIRECTO DE HOEK Y BROWN


DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIN PARA LA PRUEBA DE CORTE SIMPLE


CLCULO DE LOS PARMETROS c y EN ENSAYE DE CORTE DIRECTO


Otros ensayes de corte:

Corte simple Doble cortante Punzocortante

Tambin denominado PLT (point load rest) o ensayo Franklin. Se utilizapara determinar la resistencia a compresin simple de fragmentosirregulares de roca o de testigos cilndricos de sondeos, a partir del ndicels. obtenido en el ensayo. Los resultados son ms confiables si se ensayantestigos.

El ensayo no est indicado para rocas blandas o con anisotropa muymarcada (esquistos, pizarras, etc.).

El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntascnicas metlicas accionadas por una prensa porttil. A partir de la cargade rotura se obtiene un ndice, ls, que puede ser correlacionado con laresistencia a compresin simple del material ensayado:


Prueba de Carga Puntual

Siendo P la carga de rotura y D el dimetro de la probeta o altura de la muestra ensayada (distancia entre puntas).


La longitud del testigo debe ser, como mnimo, de 1,5 veces eldimetro. La correlacin entre el ndice Is, y la resistencia acompresin simple de la roca, c, es:

donde el factor f vara segn el dimetro de la muestra. Paraun dimetro de 50 mm, f = 23. Para muestras con dimetrosdiferentes a 50 mm es necesario corregir el valor de 1, con laayuda del baco mostrado en la figura siguiente.


Este ensayo permite estimar de forma aproximada laresistencia a compresin simple mediante una sencillacorrelacin, siendo aplicable fundamentalmente a la matrizrocosa (roca intacta), pero tambin a discontinuidades. Su usoest muy extendido dada la facilidad y rapidez de utilizacin.

El esclermetro (martillo) consiste en un pequeo aparatometlico de geometra cilndrica que dispone de un muelle ensu interior y de un punta retrctil, la cual, al ser presionadacontra la roca hace que el muelIe se dispare (percusin). Parala realizacin del ensayo, en primer lugar, se limpia la zona aensayar, que debe estar libre de fisuras o grietas. eliminandola roca meteorizada. A continuacin se aplica el martillo,presionando hasta que salta el muelle; el aparato debecolocarse perpendicular al plano de ensayo.

Prueba de Martillo de Schmidt

En funcin de la dureza o resistencia de la roca, el muelle sufremayor o menor rebote, valor que queda reflejado en unaescala situada al costado del aparato. Deben realizarse encada punto de medida 10 percusiones con el martillo,eliminando los 5 valores ms bajos y tomando el valorpromedio de los restantes.

Los valores de rebote obtenidos se correlacionan mediante unbaco con la resistencia a compresin simple. en funcin de ladensidad de la roca y de la inclinacin del martillo y del planoensayado. Es conveniente disponer de algn ensayo delaboratorio de resistencia a la compresin simple que permitacalibrar las medidas y establecer correlaciones.

Documents

02 - Propiedades Roca Intacta