Ensayo de Carga Puntual

LABORATORIO DE MECANICA DE ROCAS Ing. de Minas

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

I. OBJETIVOS.

Determinar el índice “IS” de Bieniawski y la resistencia compresiva de la roca cuando no se puede obtener testigos cilíndricos.

II. EQUIPOS.

Equipo de carga puntual

El equipo utilizado es la versión portátil que consta de:

Sistema de carga Lector de carga Lector de distancia

Sistema de carga Marco de carga

El marco de carga esta diseñado y construido de manera que por la aplicación repetida de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxiales con una desviación máxima de 0.2 mm.

Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de testigos de roca con diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15 a100 mm.

Dos puntas cónicas Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existan

problemas de deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular sean ensayados.

Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindro hidráulico.

Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60°y el radio de la esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialmente.

Cilindro hidráulicoEl cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica manual a través del cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra.

Lector de carga Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máxima de falla.

Lector de distancia

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Un sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra la distancia entre los puntos de contacto de las puntas cónicas con el testigo.Calibración El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de carga certificada y un juego de bloques para chequear que las lecturas de P y D estén dentro de los rangos previamente establecidos para este ensayo.

III. FUNDAMENTO TEORICO.

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.

Aplicación en Obras: Presas, Túneles, Fundaciones de Puentes y Estabilidad de Taludes, etc.

Las ventajas de este ensayo son que se pueden usar muestras de roca irregulares sin preparación

previa alguna y que la maquina es portátil.

A continuación una breve descripción de todos los métodos del ensayo carga puntual:

METODO OPERATIVO

EL ENSAYO DIAMETRAL

Las probetas adecuadas para el ensayo diametral serán aquellas con una relación longitud –

diámetro mayor de uno. Se debe realizar 10 o más ensayos por muestra, según la cantidad

disponible de testigos y según la uniformidad de la roca.

La probeta se coloca en la máquina de ensayo y se aproximan las bases hasta que hagan

contacto diametral con la probeta, asegurando que la distancia L entre el punto de contacto y el

extremo libre más cercano sea por lo menos 0.5 D, con una precisión de ±2 por 100 y se

aumenta la carga hasta la rotura de tal forma que se produzca en un periodo de 10 a 60

segundos. Se anota la carga de rotura P y se repite el ensayo con los demás probetas de muestra.

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El ensayo debe rechazarse si la rotura se produce afectada solamente a un punto de carga.

EL ENSAYO AXIAL

Son adecuados para el ensayo axial las probetas con una relación de longitud – diámetro de 0.3-

0.1. Las probetas de la longitud requerida pueden obtenerse partir de los ensayos diametrales

descritos en el ensayo diametral, siempre que antes se marquen exactamente en la probeta los

tramos longitudinales para el ensayo. Se deben realizar más de 10 ensayos por muestra, según la

cantidad disponible del testigo y según la uniformidad de la roca de la muestra.

La probeta se coloca en la máquina de ensayo y se cierran las bases hasta que haga contacto con

la axial con la probeta. Se anota la distancia D con una precisión de ±2 por 100 y se aumenta la

carga hasta la rotura que debe producirse entre los 10 y 60 segundos. Se anota la carga de rotura

P y se repite el ensayo con los demás probetas de muestra

Se rechazará el ensayo si la rotura afecta solamente a uno de los puntos de carga.

ENSAYO CON BLOQUES O FRAGMENTOS IRREGULARES

Se escogen bloques o trozos irregulares de roca con una dimensión media de aproximadamente

50 ±35 mm, y con una relación entre D/ancho entre 0.3 y 1 preferiblemente 1.0. La distancia L

debe ser por lo menos 0.5 ancho el ensayo debe hacerse con al menos 10 fragmentos de roca.

Se coloca cada fragmento en la máquina de ensayo y se aproximan las bases para que hagan

contacto con la probeta en su eje mayor y, siempre que sea posible, lejos de los salientes o

aristas. Se anota la distancia D con una precisión de 2 por ciento. Se aumenta la carga hasta la

rotura, para que esta se produzca entre los 10 y 60 segundos. Se anota la carga de rotura P y se

repite el ensayo con los demás fragmentos de la muestra. Se rechazara el ensayo si se produce

una rotura como en la siguiente figura.

Figura n° 01 fallos típicos

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ENSAYO EN ROCA ANISOTROPICA

Cuando la roca esta estratificada, es esquistosa o exhibe alguna anisotropía manifiesta, el

ensayo debe realizarse en las dos direcciones, la más resistente y la más débil. Por ejemplo, los

ensayos de una probeta estratificada con el eje perpendicular a los planos de estratificación dan

normalmente valores de más bajos de resistencia. Debe tener cuidado de asegurar que la carga

se aplique estrictamente en sentido paralelo y perpendicular a los planos de debilidad.

Figura n° 02. Direcciones de carga para rocas anisotrópicas.

FORMULA MATEMATICA PARA MUESTRA IRREGULAR

El índice de carga puntual se calcula de la siguiente manera:

Is= P

D2

Donde:

Is = carga puntual en Kg/cm²

P = carga de rotura en kN,

D = diámetro de la muestra en cm.

Este ensayo no sirve para rocas blandas.

RELACIÓN DE ESBELTEZ:

La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación:

L/D ≤ 1.4

Donde: L= Longitud de la probeta (cm).

D= Diámetro de la probeta (cm).

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Estimación de la G’c ,en relación a la Carga Puntual.

G’c = ( 14 + 0.175 D) Is

Donde:

G’c = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²).

D = Diámetro de la probeta en mm.

IV. PROCEDIMIENTOS DE LA PRACTICA (MUESTRA IRREGULAR).

Concebir una idea general de la roca en cuanto a su litología y estructuras. Identificar las muestras. Dependiendo del tipo de muestra, 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.

Medir las dimensiones de la muestra en el equipo de carga puntual. 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 dan en a personas u objetos de alrededor. Una persona se encarga de medir la presión a la cual está siendo sometida la muestra

mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica. Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la

prensa hidráulica. Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura

Datos obtenidos:

MUESTRA TIPO DE ROCA DIAMETRO(cm) CARGA DE ROTURA(KN)1 Granodiorita 2.9 1.82 Pizarra 2.4 0.23 andesita 2.3 6.84 Pizarra 4.1 3.55 Toba puzolana 2.3 Roca blanda

V. CALCULOS.

Muestra n° 01: roca irregular, se puede usar índice de Franklin

D = 2.9 cm. P = 1.8 KN

Is= P

D2

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Is=101.972x 1.8

2.92 Is=21.825kg /cm2

Ahora hallamos la resistencia compresiva

G 'c=(14+0.175 x D ) x IsG 'c=(14+0.175 x29 ) x21.825

G 'c=416.312kg/cm2


D = 2.4 cm. P = 0.2 KN

Is= P

D2

Is=101.972x 0.2

2.42

Is=3.541kg /cm2

Hallamos la resistencia compresiva

G 'c=(14+0.175 x D ) x IsG 'c=(14+0.175 x24 ) x 3.541

G 'c=64.446 kg/cm2


D = 2.3 cm. P = 6.8 KN

Is= P

D2

Is=101.972x 6.8

2.32

Is=131.079kg /cm2


G 'c=(14+0.175 x D ) x IsG 'c=(14+0.175 x23 ) x131.079

G 'c=2362.699kg /cm2

Muestra n° 04: roca irregular, se puede usar índice de Franklin.

D = 4.1 cm. P = 3.5 KN.

Is= P

D2

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Is=101.972x 3.5

4.12

Is=21.232kg /cm2


G 'c=(14+0.175 x D ) x IsG 'c=(14+0.175 x 41 ) x 21.232

G 'c=449.588kg /cm2

Muestra n° 05: roca irregular, y es demasiado suaveNo cumple con las condiciones para utilizar el ensayo de carga puntual.

VI. CONCLUCIONES

Contar con una buena correlación entre el ensayo de Carga Puntual (PLT) y de Resistencia a Compresión Simple (RCS) puede ser de gran importancia, pues se obtienen beneficios por la realización de ensayos más rápidos y económicos, que pueden aportar la misma seguridad en los cálculos de estructuras y actuaciones en macizos rocosos.

Cuando se introdujo el ensayo de carga puntual se usó principalmente para predecir el esfuerzo de compresión uniaxial que en ese entonces era el ensayo establecido para la clasificación de la roca. Ahora el esfuerzo de carga puntual puede reemplazar al ensayo de compresión uniaxial si se realiza siguiendo las normas establecidas.

Cuando Is < 10 kg/cm2, este índice pierde su validez.

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BIBLIOGRAFIA

APUNTES DE CLASE DEL DOCENTE. Ing. RUBINA SALAZAR, Grover

ENSAYOS DE LABORATORIOS. UNI – FIGMM-CFTM. Lima 2010

González De Vallejo, Luis I. Ingeniería geológica. Madrid, Esp. Prentice Hall, c2002.

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