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DESCRIPCION DE LOS ENSAYOS DE ROCAS MS RELEVANTES EN LA

EVALUACION DE UN MACIZO ROCOSO

Autor:

Eduardo Henry, Alemn Mamani

aleman.3@hotmail.com (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