ÍNDICE

Pág. Introducción 3 Objetivos 4 Fundamentos teóricos 5 Procedimientos y aspectos técnicos del laboratorio 9 Determinación de las propiedades Indice 17 Cálculos 19 Grafico R.C.S V/S Densidad 27 Conclusión 30 Bibliografía 31

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INTRODUCCIÓN

El procedimiento de preparación de probetas se realiza de acuerdo a las normas que se han establecido para los diferentes ensayos y que normalmente consta de una serie de procedimientos secuenciales y normalizados. Estos procedimientos estructurados se deben de realizar con la mayor pericia y precisión posible con el objeto de obtener una mejor caracterización del macizo rocoso, recordemos que las condiciones en que se encuentra la matriz rocosa en su estado natural son imposibles de reproducir con un 100% de fidelidad.

Es por esto, que existen normas pautadas para el desarrollo de los ensayos de mecánica de rocas, que tienen como objetivo principal el caracterizar de la manera mas fidedigna, los parámetros que se desean estudiar para el macizo rocoso

En el presente informe detallaremos una completa guía para el desarrollo de la determinación de densidades de una colpa de roca y un testigo normalizado, mediante diferentes métodos de cálculo, además se entregara un extenso desarrollo practico para dichas determinaciones

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1.- Extracción de testigos

Esta etapa es solo aplicable cuando se disponen de fragmentos irregulares de roca (colpas), la extracción de una probeta cilíndrica se realiza mediante la maquina saca testigos, con un diámetro adecuado al tamaño de granos del material, siendo deseable que el diámetro del testigo sea, al menos, 10 veces el diámetro del grano de mayor tamaño recomendándose para efectos prácticos un diámetro igual o superior a 48 mm En esta operación hay que considerar los siguientes aspectos:

Se debe extraer un máximo de testigos de una copia, para ello tenemos que proyectar perforaciones antes de hacerlas, teniendo cuidado de que su largo corresponda, al menos, el doble del diámetro.

En caso que la muestra presente estructuras, debemos perforar perpendicular a ellas, acomodando la colpa, tal que el corte atraviese normal a las estructuras.

Se debe comenzar a perforar sobre una superficie lisa, libre de irregularidades. Siempre que se empiece a perforar se recomienda la velocidad baja, ya que facilita

el empalme con la roca y minimiza las vibraciones. La velocidad baja sirve para perforar muestras alteradas o donde el diámetro de

perforación es menor a 3°. La velocidad alta se emplea para perforar muestras en buena estado y con coronas

de diámetro superior a 3°. La cantidad de agua suministrada dependerá de las características de la muestra. El empuje necesario dependerá de las características estructurales de la muestra.

1.2.-Dimensionamiento de la probeta.

Se realiza mediante dos cortes diametrales efectuados con una maquina cortadora, para obtener probetas con una relación largo-diámetro entre 2 y 2,5, siendo recomendable una relación igual a 2. En la operación de corte debemos considerar lo siguiente:

Para minimizar la absorción de solución refrigerante por los testigos durante el proceso de corte, las probetas deben previamente sumergirse en agua durante 15 minutos.

El corte debe ser los mas perpendicular posible al eje longitudinal de la probeta. No se deben cortar en aquellos sectores donde se existan estructuras involucradas.

1.3.-Rectificación de la probeta

Para el rectificado de las caras basales de la probeta es recomendable el uso de una rectificación tangencial, a fin de obtener el mejor paralelismo entre ellas y permitir la distribución uniforme de la carga que es aplicable sobre la probeta, no obstante es posible obtener buenos resultados utilizando platos desbastadores, en perjuicio de un tiempo de

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operación bastante mas largo, el cual se relaciona con la experiencia del encargado de este procedimiento.

1.4.-Verificación de paralelismo.

Se debe verificar el paralelismo de las dos caras basales de la probeta mediante un dial micrométrico o reloj comparador y con una tolerancia máxima de 1 milésima de pulgada. Si se excede esta tolerancia la probeta debe volver a la etapa de rectificado.

1.5.-Verificación de la rectitud.

Se debe verificar que las caras basales de la probeta se encuentren perpendiculares al eje longitudinal de la muestra con una tolerancia máxima de 2 centésimas de pulgada. Si se excede esta tolerancia la probeta debe volver a la etapa de rectificado

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OBTENCIÓN DE DENSIDADES POR EL MÉTODO GEOMÉTRICO E INMERSIÓN

2.1.-Método geométrico.

Este método se basa en el procedimiento indicado en CANMET, supplement laboratory clasification test, el procedimiento sugerido por la ISRM, commission on standardization of laboratory and field tests, committee on laboratory test y la norma ANSI/ASTM D-2845-69

Es aplicable a muestras de geometría muy regular cuyo volumen es determinado por sus dimensiones geométricas, que en el caso de una probeta cilíndrica corresponden al diámetro D y altura L determinadas mediante varias mediciones micrométricas y con precisión lo mas cercano posible a 0,1 mm. El diámetro D corresponde al promedio aritmético de tres mediciones del diámetro de la probeta, realizada en la base, a media altura y en la parte superior de ella. La altura L corresponde la promedio aritmético de cuatro mediciones de su altura, las que se realizan a 90° cada una.

El peso de la muestra natural (seco o saturado), es determinado empleando una balanza de precisión (preferentemente electrónica) lo mas cercano a 0.01 gramo. La formula para la densidad es la siguiente:

M

M

V

P

LrVM 2

Donde:Densidad de la muestra

Peso de la muestra Volumen de la muestra

Radio basal de la probetaAltura de la probeta

Si se requiere estimar el peso unitario seco del material entonces:

Peso seco de la muestra (110ºC por 24 horas)Si se requiere determinar el peso unitario saturado del material entonces:

Peso saturado de la muestra (inmersión en agua destilad por 48 horas)

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2.2.-Método de inmersión

Este método se basa en el método de Arquímedes y apropiado para determinar el peso unitario de materiales rocosos que son afectados físicamente por el agua y pueden utilizar fragmentos irregulares o regulares del material como muestras.

El ensayo se efectúa conforme a la norma ANSI/ASTM C-97-47 y el procedimiento sugerido por la commission on standardization of laboratory and field tests, y el peso unitario se determina en base a la siguiente expresión:

sussatM

M

PP

P

V

P

sec

Donde:Densidad de la muestra

Peso seco de la muestra (110ºC por 24 horas)Peso saturado de la muestra (inmersión en agua destilad por 48 horas)Peso sumergido en un recipiente con agua destilada.

Peso de la muestraVolumen de la muestra

Si el material es afectado físicamente por el agua la muestra se recubre con una delgada capa de parafina sólida para evitar su contacto con el agua, corrigiendo el efecto de la parafina en el calculo del volumen de la muestra. También se puede emplear un liquido alternativo para la saturación e inmersión de la muestra, cuya densidad sea conocida para aplicar la formula anterior, como por ejemplo parafina liquida que posee una densidad de

.En el caso de recubrimiento de la muestra con parafina sólida se debe considerar el

siguiente cálculo, para determinar el volumen de la muestra:

PMPM VVV

a

sumsatMP

PPV

p

mmpp

PPV

Donde:Volumen de al muestraVolumen de la muestra con parafina

Volumen de la parafinaDensidad del agua destiladaDensidad de la parafina sólida

Peso de la muestra recubierta con parafina sólida

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Peso de la muestra sin recubrir con parafina

PROCEDIMIENTOS Y ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL LABORATORIO N°3

En nuestro caso las probetas o testigos de rocas fueron entregadas por el encargado de laboratorio, por lo que esta etapa del laboratorio no fue realizada propiamente tal, pero se entregaran algunos aspectos generales sobre el procedimiento básico para obtener dichas probetas y el cumplimiento de ciertos parámetros específicos necesarios para poder estudiar dicha muestra.Para la preparación de muestras en laboratorio se requiere lo siguiente:

Elementos de protección personal Zapatos de seguridad Delantal u overol Antiparras o lentes de seguridad Guantes

Equipos e insumos de laboratorio: Maquina saca testigos Corona diamantada Listones de madera Maquina cortadora de roca Disco diamantado Equipo pulidor Esmeril en polvo Reloj comparador o diales Pie de metro Huincha metálica Plumones marcadores Medidor de paralelismo

3.1.-Fases de la preparación de una probeta.

Para la extracción de los testigos el laboratorio cuenta con los siguientes equipos: Maquina saca testigos marca Drill Co, posee un motor eléctrico monofasico Black

& Decker (220 Volt) con una potencia de 0.5 HP que hace funcionar el sistema de rotación para la coronas a 300 y 750 Rpm.

Sus piezas o partes más importantes son: Cuerpo principal de maquina saca testigo: consta del sistema eléctrico y sistema de

desplazamiento manual este último consiste en un perno unido al C.P.M.S.T., permitiendo la fijación y movimiento del C.P.M.S.T., y un anillo de seguridad, que detiene cualquier desplazamiento vertical del C.P.M.S.T.

Mordaza o tornillo mecánico: Es el sistema que permite asegurar el no desplazamiento de la colpa cuando esta siendo extraído el testigo.

Columna tubo de acero de alta resistencia endurecido por cementación cromo-níquel, permite el desplazamiento del C.P.M.S.T., la columna debe ser engrasada o aceitad constantemente, ya que siempre esta en contacto con agua.

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El procedimiento a seguir para la extracción del testigo de roca es el siguiente:

Instalar la corona diamantada de 2” Levantar el cuerpo principal de la maquina saca testigos Colocar la colpa o testigo de gran diámetro sobre la mordaza o tornillo mecánico es

necesario que existan no menos de 120 mm de espesor de roca en la colpa. Apretar la mordaza es indispensable que la colpa quede bien apretada. Ubicar el extremo inferior de la corona lo más cercano a la colpa. Hacer funcionar la maquina es necesario que al empatar la corona con la colpa el

flujo de agua sea regular una vez que se vea que la corona entro bien, aumentar el empuje y perforar completamente la colpa.

Al finalizar la extracción del testigo detener la maquina y cerrar el flujo de agua; levantar la corona y retroceder la mordaza para liberar la colpa.

Escribir con plumón indeleble la identificación de la muestra

3.2.-Dimensionamiento de la probeta

El dimensionamiento de la probeta se realiza utilizando una cortadora de marca LAPRO, que posee un motor eléctrico monofasico Black & Decker (220 Volt) con una potencia de 0.5 HP y desarrolla 1.225 RPM consta de un disco diamantado de 14” , el sistema de rotación es a través de un eje , dos correas de transmisión y tres poleas , sistema de arrastre para cortar la muestras consta de dos vigas cuadradas, sobre las cuales circula un carro, en su parte superior el carro posee una mordaza que aprieta el o los testigos.

Todo es puesto en movimiento a través de un tornillo milimétrico que sincronizado junto al disco, gracias a dos ejes, una correa de engranaje y una polea, el tornillo avanza 1 mm. Por cada 20 giros. Como norma de seguridad la cortadora cuenta con una cúpula de acrílico, que permanecer cerrada cada vez que la maquina se encuentra funcionando, ya que mantiene líquido refrigerante en su interior, que puede producir daño al contacto con los ojos, o personas alérgicas a este liquido.

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El procedimiento de corte de probetas es el siguiente:

Es importante dimensionar un mínimo de dos testigos Medir el diámetro del testigo Marcar en el testigo el largo necesario de la probeta, indicado por la norma Colocar el freno del carro de desplazamiento y ubicar el testigo obre la mordaza,

ubicarlo de tal forma que eliminemos el menos material posible del testigo. Apretar la mordaza, soltar el freno del carro de desplazamiento, cerrar la cúpula de

acrílico y a hacer funcionar la cortadora. Una vez realizado el primer corte, repetir el procedimiento con la otra parte del

testigo.

“Probeta sin cortar”

“Cortadora de muestras de roca”

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3.3.-Pulido de la probeta.El pulido de las caras paralelas, se hace utilizando un plato de desbaste, el cual

consta de un plato de acero acanalado, que es el que se utiliza para la preparación de las probetas en mecánica de rocas, de 12 pulgadas de diámetro; posee deposito para el agua y sistema de desagüe.

El otro equipo fue confeccionado con dos platos de desbaste ideales para preparación demuestras para descripciones microscópicas es decir cortes trasparentes y corte- pulido, ya que los platos de 6 pulgadas pueden ser cambiados fácilmente por platos de acero con cubierta de felpa, que son los utilizados en preparación de cortes para caracterización microscópica de minerales. Con respecto al material abrasivo utilizado o esmeril en polvo, requerido para este procedimiento es el tamaño120 CT

“Disco de desbaste”

“Probeta pulida”

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Los pasos a seguir en esta etapa es el siguiente: Medir el error de paralelismo que posee la probeta al terminar la etapa de

dimensionamiento y marcar con plumón indeleble la cara superior, indicando la dirección o direcciones de mayor error

Distribuir uniformemente el esmeril en polvo sobre el plato de pulido, agregar agua en tal cantidad que se forme una pasta.

Activar la rotación del plato. Tomar la probeta con la mano de tal forma que la cara marcada pueda ser

observada, pasar la probeta sobre el centro del plato y la mezcla formada arrástrala hacia la periferia coincidiendo con la dirección de mayor error.

Nuevamente medir el error del paralelismo.

3.4.-Cumplimiento de Normas de la ProbetaPara ello tenemos el medidor de paralelismo; instrumento de precisión, consiste en

una superficie rectificada (0.001 mm) nidal a una columna que sostiene un reloj comparador o dialer se utiliza para ver si la probeta o cilindro cumple la norma ASTM, para cumplir con tales normas es importante cumplir:

Limpiar la superficie del comparador y las caras de la probeta Colocar la probeta bajo el reloj comparador, centrada con respecto a al aguja de

este. Tarar el dialer o reloj en cero. Desplazar la probeta en forma de cruz Observar que el paralelismo de las caras cumpla la norma indicada.

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DETERMINACION DE DENSIDAD, POROSIDAD E INDICE DE HUECOS DE UNA MUESTRA DE ROCA

4.1.-ObjetivoDeterminar las propiedades índices de densidad, porosidad e índice de huecos o

vacíos de una muestra de roca cumpliendo las normas ASTM y recomendaciones de la ISRM.Equipos y materiales Utilizados

Para determinar la densidad y porosidad de una muestra de roca en el laboratorio se requieren los siguientes equipos y materiales:

Horno de secado Balanza de precisión Sistema de peso suspendido Parafina sólida Recipiente con agua Pie de metro Plumones Toalla Absorbente

ETAPAS EN LA DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES ÍNDICE DE UNA MUESTRA DE ROCA

4.2.-Secado de la probeta o muestra de roca.Para el secado de la muestra el laboratorio cuenta con un horno de secado o mufla,

el sistema de secado es con circulación de aire por convección forzada por medio de una turbina, el rango de temperatura es entre 5 a 220 ºC construido en acero inoxidable, las dimensiones son 480 mm de alto 400 mm de profundidad siendo la capacidad de trabajo de 56 litros y que posea un selector de temperatura análogo. Para obtener un secado óptimo se debe regular la temperatura y tiempo de secado según norma ASTME 145 y recomendaciones de ISRM, es decir 105ºC durante 24 hrs.

“Horno para secado de muestras”

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4.3.-Determinación de la masa de la muestra de roca.Para la determinación de la masa de la muestra de roca el laboratorio cuenta con una

balanza electrónica de perfil extra plano y lectura digital visor de cristal líquido y fuente de poder externa para 220volt y 50 HZ, una sensibilidad o precisión de 0.01g, para la norma ASTM D4753

“Balanza electrónica”

Los pasos a seguir son los siguientes:

La muestra debe estar seca cumpliendo el procedimiento descrito 3.1 Nivelas la balanza con el nivel de burbuja que se encuentran en la parte superior Conectar el transformador de la balanza Encender la balanza instalar la muestra sobre la balanza y anotar el valor indicado.

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4.4.-Determinación del volumen de una muestra de roca.Para la determinación del volumen de una muestra de roca en el laboratorio el

procedimiento mas rápido es sencillo es medir con un pie de metro, las dimensiones de un cilindro perfecto de roca que cumpla la norma ASTM D4543-85 es decir la probeta preparada en el laboratorio anterior.

Para determinar el diámetro de la probeta, este debe ser evaluado en la parte superior media e inferior del cilindro de roca y calcular un valor promedio. En el caso del largo debe ser evaluado en dos partes separadas en 90º entre si y calcular un valor promedio.

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DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD, POROSIDAD E ÍNDICE DE VACÍOS DE LA MUESTRA DE ROCA

5.1.-DensidadLa densidad de cualquier material, elemento o producto es la razón entre su peso y

el volumen que posee. Es por ello que una buena aproximación es determinarla a partir de un cilindro perfecto que cumpla la norma ASTM D4543-85. Teniendo el peso de la muestra calculado y su volumen calculado anteriormente aplicamos la formula empírica para obtener la densidad requerida.El procedimiento es el siguiente.

Pesar el cilindro trozo de testigo o muestra irregular d roca; sumergir la muestra en agua (saturar) durante 48 hrs.; el recipiente debe tener una altura mínima de 40 cm., para que la muestra este bajo una columna de agua media de 800 Pa; tomando como referencia las recomendaciones de la ISRM

Una vez saturada la muestra, obtener el peso de la muestra en esa condición, es decir retirar la muestra desde el recipiente secar con un paño o papel absorbente el agua superficial de la muestra en la balanza de precisión

Lo mas rápido posible obtener el peso suspendido de la muestra, es decir, instalar la balanza sobre el recipiente que contiene el agua (debe estar nivelada), colgar un canastillo bajo la balanza y obtener el peso suspendido.Los valores deben ser anotados en una tabla resumen; utilizar la siguiente formula

para determinar:

t

m

V

Pdensidad

mP :es el peso de la muestra en gramos

tV :es el volumen total de la muestra en 3cm , obtenido de la diferencia entre el peso

saturado y el peso suspendido, todo divido por la densidad del agua, 1 gr/3cm

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CÁLCULOS NUMÉRICOS DEL LABORATORIO

Para poder calcular las densidades, primeramente debemos realizar mediciones representativas de su diámetro, para poder estimar su largo teóricamente mediante la siguiente expresión:

ppL 5.22

Donde:Largo de la probetaDiámetro de la probeta

Para la realización de este cálculo fue necesario estimar 3 mediciones del diámetro para cada una de las 3 probetas de roca (que se muestran en la figura), en la base, en la zona media y en la parte superior de la probeta, mientras que para el largo estas mediciones fueron realizadas con una orientación de 0°, 90°, 180° y 270° respectivamente, obteniéndose un diámetro y largo promedio los que se muestran en la siguiente tabla1:

“Probetas roca normalizadas”

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TESTIGODIAMETRO (mm.)

INFERIOR CENTRO SUPERIOR PROMEDIOM-1 A 36,126 36,127 36,128 36,127M-1 B 36,125 36,126 36,127 36,126

M-2 A 36,130 36,132 36,135 36,132M-2 B 36,130 36,130 36,115 36,125

M-3 A 36,120 36,100 36,100 36,107M-3 B 36,100 36,100 36,100 36,100

Tabla N°1“Mediciones del diámetro”

TESTIGOLARGO

0° 90° 180° 270° PROMEDIOM-1 A 73,000 73,350 73,350 73,345 73,261M-1 B 76,135 76,153 76,130 76,145 76,141

M-2 A 70,010 70,020 70,010 70,090 70,033M-2 B 70,000 70,000 69,945 69,985 69,983

M-3 A 71,050 71,060 71,060 71,010 71,045M-3 B 70,090 70,090 71,010 70,000 70,298

Tabla N°2“Mediciones del largo”

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Con estos datos podemos calcular los volúmenes de las 3 probetas, mediante la siguiente expresión:

Los resultados de los cálculos de los volúmenes de las distintas probetas y sus respectivos pesos, se resumen en la siguiente tabla N°3:

TESTIGOVOLUMEN

(cc)PESO (gr)

M-1 A 75,098 200M-1 B 78,045 210

M-2 A 71,810 195M-2 B 71,729 190

M-3 A 72,744 200M-3 B 71,952 200

Tabla N°3

Densidad geométrica

Donde:

Densidad de la muestraPeso promedio de la muestra Volumen de la muestra

Utilizando la expresión anterior y utilizando los datos de la tabla N°4 de resumen obtenemos los siguientes valores para las densidades:

TESTIGODENSIDAD

(gr/cc)M-1 A 2,663M-1 B 2,691

M-2 A 2,716M-2 B 2,649

M-3 A 2,749M-3 B 2,780

Tabla N°4

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Densidad SumergidaPara determinar la densidad sumergida se tomaron 3 muestras de roca (Fig. N°2) de

la misma composición de las probetas con el objeto de comparar sus densidades, a través de los distintos métodos para determinar dicho parámetro geotécnico.

Fig. N°2 “Muestras de Rocas Brutas”

Los pesos de las muestras se resumen en la siguiente tabla N°5:

TIPO DE PESOMUESTRAS

M-1 M-2 M-3Peso Saturado 1181 791,7 892,3Peso Suspendido 723 484,4 558,3Peso Seco 1158,7 781,2 872,3

Tabla N°5“Tabla de pesos de las muestras brutas”

Obtenidos los pesos procedemos a secar la muestra en un horno a 105°C por 24 horas para obtener el peso seco, luego se saturan las muestras en agua destilada por 48, con

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el objeto de obtener el peso saturado. Una vez realizados los procedimientos anteriores podemos calcular su peso sumergido, a través de la siguiente expresión:

sussatM

M

PP

P

V

P

sec

Donde:Densidad de la muestra

Peso seco de la muestra.Peso saturado de la muestra.Peso sumergido.

Peso de la muestraVolumen de la muestra

MUESTRADENSIDAD

SUMERGIDAM-1 2,530M-2 2,542M-3 2,612

“Densidades Sumergidas deLas Muestras brutas”

Para saber si estamos cumpliendo con las normas del ensayo debemos obtener una tolerancia máxima de 0,02 en la diferencia de las densidades calculadas por los dos métodos anteriormente descritos y que se estima con la siguiente expresión:

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Los cálculos fueron tabulados de la siguiente manera:

DENSIDAD PROMEDIO PROBETAS(gr/cc)

DENSIDAD SUMERGIDA

DIFERENCIA

2,677 2,530 0,1472,683 2,542 0,1412,765 2,612 0,153

“tabla de resumen de las diferencia de densidades”

La densidad obtenida por el método de la densidad geométrica entrega un valor dentro del rango esperado, al igual que el valor entregado por el método de inmersión, pero la diferencia de estas densidades esta fuera del rango establecido por la norma del laboratorio ( ), el no cumplimiento de la norma implantada para el laboratorio, lo mas probable es que se deba a errores operacionales de laboratorio, tales como: mal corte, deficiente pulido, mala rectitud, etc. Pero la principal causa de esta diferencia es que no sabemos con exactitud si las colpas y las probetas corresponden a una misma especie mineral, ya que se escogieron las muestras solo por inspección visual, lo que claramente constituye un factor de error importante a la hora de estimar el rango de error para las densidades.

GRÁFICO Y ÁBACO DE ENSAYO A LA COMPRESIÓN SIMPLE V/S DENSIDAD

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Tabla de datos generales

Densidad de la Roca

Resistencia a la Compresión Simple

2,70 14672,69 13202,72 15602,68 18792,70 19502,66 21122,65 17682,64 19542,64 19152,76 20502,74 13402,70 16502,69 14592,70 14102,69 13602,69 12802,69 12502,66 21182,58 22182,64 21902,65 18902,65 14532,67 15552,65 21032,66 1943

Grafico que relaciona resistencia a la compresión simple v/s densidad (original)

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R.C.S V/S DENSIDAD

y = -4357,1x + 13387R2 = 0,2513

10001200140016001800200022002400

2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80

Densidad

R.C

.S.

Vemos que correlación de los datos es bajísima (0,2513) lo que nos obliga a modificar nuestra base de datos para obtener una mejor correlación en ellos mediante la eliminación de datos mas alejados de la línea de tendencia.

Modificando el ábaco de información, la tabla de valores y el grafico modificado nos queda como sigue:

Densidad de la Roca

Resistencia a la Compresión Simple

2,70 14672,69 13202,72 15602,76 20502,70 16502,69 14592,70 14102,69 1360

Grafico que relaciona resistencia a la compresión simple v/s densidad (modificado)

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R.C.S V/S DENSIDADAJUSTADO

y = 9049,5x - 22956R2 = 0,855

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2,65 2,70 2,75 2,80

DENSIDAD

R.C

.S

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