ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUAL

ASTM D5731-95 Determinar el índice de resistencia a carga puntual de la roca.

ObservacionesEste método se aplica a rocas con una resistencia a compresión uniaxial superior a 20 MPa.

Cantidad de muestra Son recomendables al menos 12 especímenes con dimensiones entre 30 y 85 mm y una relación Altura/Diámetro 2.5 < L/D > 2.

Generalidades

El ensayo de carga puntual se utiliza para determinar la resistencia a la compresión simple de fragmentos irregulares de roca, testigos cilíndricos de sondajes o bloques, a partir del índice de resistencia a la carga puntual (Is), de tal forma que el stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, según el diámetro de la muestra. El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas metálicas accionadas por una prensa.Las ventajas de este ensayo son que se pueden usar muestras de roca irregulares sin preparación previa alguna y que la maquina es portátil.

RELACIÓN DE ESBELTEZ:La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación:L/D = 1.4Donde:L = Longitud de la probeta (cm).D = Diámetro de la probeta (cm).

FÓRMULA MATEMÁTICA:

Is = P/D²Donde:Is = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm²).P = Carga última de rotura (Kg).D = Diámetro de la probeta (cm).Estimación de la “dc”, en relación a la Carga Puntual.

FÓRMULA MATEMÁTICA:

dc = (14 + 0.175 D) Is

Donde:dc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²).D = Diámetro de la probeta en mm.

Procedimiento1. Concebir una idea general de la roca en cuanto a su litología y estructuras.2. Identificar las muestras.3. Medir las dimensiones de la muestra.4. Dependiendo del tipo de muestra (ver figura 1), se sitúa el testigo entre las puntas cónicas de la maquina, resguardando que se cumplan las configuraciones de carga y requerimientos de forma del testigo.5. Se recubre la maquina con una bolsa resistente cuyo fin será el de evitar que al momento de fallar la roca no salten fragmentos y dañen a personas u objetos de alrededor.6. Una persona se encarga de medir la presión a la cual esta siendo sometida la muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica.7. Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa hidráulica.8. Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura(Figura 2).

Figura 1: Configuración de carga y requerimientos en la forma de los testigos (a) muestra diametral, (b) muestra axial, (c) bloque y (d) muestra irregular. L = largo, W = ancho, D = diámetro, y De = diámetro del núcleo equivalente

Figura 2: Modos típicos de falla para muestras validas e invalidas (a) muestras diametrales validas; (b) muestras axiales validas; (c) bloques validos; (d) muestras invalidas.

CálculoEl índice de carga puntual sin corrección se calcula de la siguiente manera:

Is = P/De2MPaDonde:

P = carga de falla, N, (Debido a que la presión se realiza a través de puntas cónicas, es necesario realizar una corrección, la cual es: P = valor medido en la maquina * 14.426 cm2)

De = diámetro del núcleo equivalente = D para muestras diametrales (ver figura 1), m, y es dada por:

De2 = D2 para muestra diametrales, mm2, o De2=4A/π para muestras irregulares, axiales o bloques, mm2; Donde: A=

WD= área de la sección transversal mínima (ver figura 1)

CORRECCIÓN Is varia en función de D en muestras diametrales, y en función de De en muestras

axiales, irregulares y bloques.

El índice de resistencia a la carga puntual corregido [Is (50)] es definido como el valor de Is medido en muestras diametrales con D=50mm.

Cuando se tienen muestras de variados diámetros distintos a 50mm, se debe plotear P vs De2 en un grafico log-log, y con una regresión lineal se puede determinar el valor de Is50.El valor promedio de Is (50) se calcula eliminando los 2 valores más altos y los 2 valores más bajos de 10 o más ensayos validos. Si pocos especímenes son testeados, solamente el valor más alto y mas bajo se descarta y se promedian el resto.

El valor de la resistencia a la compresión uniaxial a partir del Is (50) es el siguiente: UCS= 23*Is (50)Cuando se tiene un Is corregido a un diámetro distinto de 50 mm, la relación entre UCS e Is es distinta (figura 3).

Figura 3 Valor generalizado de C. UCS=C*Is

ABORATORIO N°6ENSAYO DE CARGA PUNTUALObjetivoEl ensayo determina el Indice de ResistenciaIs (50)entestigos de roca querequieren de poca preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares.UsoSe utiliza en la clasificación de materiales rocosos. También para estimar otrosparámetros de esfuerzo como por ejemplo: Tracción uniaxial o compresiónuniaxial.EquipoEl equipo utilizado es la versión portátil que consta de:- Sistema de carga- Lector de carga- Lector de distanciaSistema de carga Marco de carga- El marco de carga esta diseñado y construido de manera que por la aplicaciónrepetida de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxialescon

una desviación máxima de 0.2 mm.- Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de testigos de rocacon diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15 a100 mm.Dos puntas cónicas- Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existanproblemas de deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular seanensayados.- Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindrohidráulico.- Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60°y el radio dela esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialmente. (figura 1)Cilindro hidráulicoEl cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica manual a travésdel cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra.Lector de carga Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máximade falla.Lector de distancia Un sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra ladistancia entre los puntos de contacto de las puntas cónicas con el testigo.Calibración El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de cargacertificada y un juego de bloques para chequear que las lecturas de P y D esténdentro 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 característicasgeológicas y mecánicas para el cual se determinara un solo valor de índice deresistenciaIs (50).- La muestra debe contener suficientes testigos con las medidas y formasrequeridas para el ensayo diametral, axial, de bloques o de pedazosirregulares.ProcedimientoEnsayo diametral (figura 2a)a) Los testigos de forma cilíndrica apropiados para este ensayo son los quetienen relación longitud/ diámetro mayor que 1.b) Deben ser por lo menos 10 testigos por muestra y más si la muestra esheterogénea 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 ladistancia L entre el punto de contacto y la base libre más cercana sea 0.5veces el diámetro D o mayor.d) Si la muestra es de material blando de manera que se produzca unasignificativa penetración de las puntas en el momento de la falla, deberegistrarse 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 fallaocurra 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 noserá considerado válido.i) El procedimiento será repetido para el resto de los testigos de la muestra.Ensayo axial (figura 2b)a) Las testigos cilíndricos utilizados en este ensayo deben cumplir con la relaciónlongitud/diámetro de 0.3 a 1.b) Las piezas de los testigos que han sido utilizadas en los ensayos diametrales yque 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 ensayodiametral.Ensayo de bloques y pedazos irregulares (figura 2c y 2d)a) En este ensayo se utilizan bloques de roca o pedazos irregulares dedimensiones entre 15 a 85 mm y de las formas mostradas en

la figura. Larelación 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 tamañoy 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 seajustarán 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 oanisotrópicas.e) La distancia D entre los puntos de contacto del testigo con las platinas estomada con aproximación a 0.1 mm. El ancho W perpendicular a la direcciónde carga es anotado con una aproximación al mm. Si los lados no sonparalelos entonces W es calculado como (W1+ W2) / 2.f) La carga debe ser aplicada constantemente de manera que la falla ocurra entrelos 10 y 60 segundos de iniciada la carga. La carga última P es anotada. Elensayo deberá ser anulado sí la superficie de falla no pasa a través de lospuntos los puntos de aplicación de la carga.g) El procedimiento se repite para el resto de testigos de la muestra.CálculosEl esfuerzo de carga puntualIs= P , donde De(diámetro equivalente) es:De2en el ensayo diametral De2= D2en el ensayo axial, de bloques o pedazos irregulares De2= 4Aπdonde A = WD y entonces De2= 4WDπCorrecciones-Isvaría como una función de D en el ensayo diametral y como una función deDeen el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debeaplicar una corrección para obtener un valor único de esfuerzo de cargapuntual para una muestra de roca. y para que este valor pueda ser usado parapropósitos de clasificación de la roca.- El valor de esfuerzo de carga puntual corregidoIs (50)

de un testigo o muestrade roca está definido como el valorIsmedido en un ensayo diametral condiámetro D= 50mm.- El método más efectivo de obtenerIs (50)es ejecutar ensayos diametrales muycerca de D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introduciráun mínimo de error (p.e. en el caso de ensayos diametrales de testigoscilíndricos NX con D=54mm, la corrección no es necesaria). Sin embargo notodos los ensayos de carga puntual son ejecutados con estos testigos por loque la siguiente corrección debe ser aplicada:Is (50)= F x Isdonde el factor F es la siguiente expresión:F = (De/50)0.45- Para testigos con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error seráintroducido si se usa la expresión:F = (De/50)0.5- Los resultados finalesIs (50)serán calculados eliminando los dos valores másaltos y los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos ycalculando el promedio con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueranpocos solo se eliminará el mayor y el menor y se calculará el promedio con losrestantes.- Los resultados de los ensayos diametrales, axiales, de bloques y pedazosirregulares deben ser calculados separadamente.- A partir del índice de carga puntual corregidoIs (50)se puede utilizar la formulade E. Broch y J. A. Franklin para estimar la resistencia a la compresión noconfinada:σσσσc= 24 Is (50) Informe- Procedencia, ubicación y tipo de roca.- Contenido de agua de la roca al momento del ensayo.- Una tabla con los valores de P, D, W, D

e,De2, Is,F,Is (50)y tipo de ensayo quese aplicó de cada testigo.- Determinar elσσσσcde la muestra de roca ensayada.ObservacionesCuando se introdujo el ensayo de carga puntual se usó principalmente parapredecir el esfuerzo de compresión uniaxial que en ese entonces era el ensayoestablecido para la clasificación de la roca.Ahora el esfuerzo de carga puntual puede reemplazar al ensayo de compresiónuniaxial si se realiza siguiendo las normas establecidas.ReferenciasASTM D 5731-95ISRM Suggested Method for Determining Point Load Strength