LABORATORIO 1Ensayos en Roca, Carga Puntual, Uniaxial y Triaxial

Nombres:Alejandra Prez Canales

Ignacio Arancibia Parga

Curso:GL5201-1 Geologa Aplicada

Laboratorio:28/03/2013

INDICE

41INTRODUCCIN

52METODOLOGIA

52.1CARGA PUNTUAL

52.1.1Metodologa ensayo

72.1.2Determinacin de la resistencia

92.2COMPRESIN UNIAXIAL

92.2.1Metodologa de ensayo

112.3TRIAXIAL

112.3.1Metodologa ensayo

123RESULTADOS

123.1DESCRIPCIN DE MUESTRAS

153.2CARGA PUNTUAL

183.3UNIAXIAL

193.4TRIAXIAL

223.5RESISTENCIA A CORTE

244DISCUSIONES

255CONCLUSIONES

INDICE DE FIGURAS5Figura 1 Equipo para ensayo de Carga Puntual

6Figura 2 Dimensiones probetas

6Figura 3 Colocacin y ajuste de la probeta antes de ensayar en carga puntual

7Figura 4 Colocacin de plstico de proteccin ensayo de carga puntual

7Figura 5 Lectura carga de rotura ensayo de carga puntual

9Figura 6 Configuracin de Espcimen y de Forma para ensayo de carga puntual diametral (Extrado Figura 3a, norma ASTM D 5731).

9Figura 7 Modo de falla invlida

9Figura 8 Equipo ensayo Compresin Uniaxial

10Figura 9 Proteccin de muestra con membrana plstica Compresin Uniaxial

10Figura 10 Proteccin con acrlico ensayo Compresin Uniaxial

11Figura 11 Toma de datos ensayo compresin uniaxial

13Figura 12 Testigo M1

13Figura 13 Testigo M2

14Figura 14 Testigo M3

14Figura 15 Testigo M4

14Figura 16 Testigo M5

15Figura 17 Rotura testigo M3

15Figura 18 Rotura testigo M4

16Figura 19 Rotura testigo M5

18Figura 20 Ensayo de Compresin Simple

19Figura 21 Rotura testigo M5

20Figura 22 Ensayo de Compresin Triaxial

20Figura 23 Rotura testigo ensayado por compresin triaxial

21Figura 24 Otra vista de rotura testigo ensayado por compresin triaxial

21Figura 25 Otra vista de testigo ensayado por compresin triaxial

22Figura 26 Resultados de Ensayos - Crculo de Mohr

23Figura 27 Crculo de Mohr, para Triaxial con carga de falla de 20277kgf

24Figura 28 Crculo de Mohr, para Triaxial con carga de falla de 25421kgf

INDICE DE TABLAS

8Tabla 1 Valor de C para clculo de resistencia uniaxial

12Tabla 2 Resumen de probetas utilizadas

16Tabla 3 Resumen de Valores ensayos de Carga Puntual

17Tabla 4 Clasificacin de material ensayado segn UCS

17Tabla 5 Descripcin y estimacin de la resistencia en terreno. (Modificado de Waltham,1994).

17Tabla 6 Clasificacin Brown (1981)

22Tabla 7 Resumen esfuerzos

23Tabla 8 Parmetros mecnicos Arenisca (Informacin gua laboratorio)

23Tabla 9 Resultados para Triaxial con carga de falla de 20277kgf

23Tabla 10 Resultados para Triaxial con carga de falla de 25421kgf

1 INTRODUCCINPara determinar el comportamiento del macizo rocoso ante distintas solicitaciones a las que puede estar sometido, se utilizan distintos modelos de caracterizacin, los cuales necesitan de propiedades fsicas caractersticas de la roca intacta para establecer sus resultados. Luego estas caractersticas mecnicas de la roca intacta sern corregidas por las distintas caractersticas y/o condiciones a las cuales se encuentra el macizo rocoso, como fracturamiento, presencia de agua u orientacin de estructuras, etc. Los resultados de los modelos y posteriormente del diseo de obras civiles o mineras que se realicen en el macizo dependern de la veracidad estas propiedades.Para la obtencin de estas propiedades ndices se realizan ensayos de resistencia a probetas de roca intacta con dimensiones y procedimientos de cargas estandarizadas, segn las normas correspondientes a cada ensayo. En este laboratorio se realizaron los siguientes ensayos: Carga Puntual (segn norma ASTM D 5731)

Compresin Uniaxial (segn norma ASTM D3148, D2938) Compresin Triaxial (segn norma ASTM D2664, D5407)Se ensayaron 3 probetas mediante la prueba de carga puntual, una por ensayo uniaxial y otra por ensayo triaxial. De los ensayos realizados se revisarn si se cumplen con las caractersticas estandarizadas de las normas indicadas y por lo tanto se determinar la validacin de los resultados obtenidos. Adems con los resultados obtenidos de estos laboratorios se debera obtener la resistencia a la compresin simple de la roca intacta (UCS) y los parmetros del criterio de falla de Mohr-Coulomb, la cohesin (c) y ngulo de friccin interna (). Y finalmente una clasificacin geotcnica del material ensayado, segn clasificacin de Brown (1981) y Waltham (1994).Debido al bajo nmero de ensayos (especialmente en el caso uniaxial y triaxial), los resultados obtenidos no son totalmente representativos de la roca intacta investigada.En el documento se presenta la metodologa utilizada durante los ensayes (incluyendo descripcin de los testigos), un anlisis de los resultados, discusin de los resultados y conclusiones.2 METODOLOGIAA continuacin se presenta una descripcin de la metodologa llevaba a cabo para realizar los distintos ensayos que se utilizaron para la caracterizacin de la roca.2.1 CARGA PUNTUAL

En ensayo de carga puntual es utilizado para determinar la resistencia a compresin simple de fragmentos o testigos de roca. En la Figura 1 se presenta el equipo utilizado en esta experiencia.

Figura 1 Equipo para ensayo de Carga Puntual2.1.1 Metodologa ensayo

A continuacin se presenta como se desarrolla el ensato de carga puntual:

Se debe determinar las probetas a ensayar. En general se recomienda ensayar tres probetas de las litologas que se desean estudiar. Una vez definidas las probetas que sern ensayadas, se debe medir sus dimensiones (en el caso de la probetas que se estn ensayando se debe medir el dimetro y altura, Ver Figura 2). Con las dimensiones de las probetas se determinar las relaciones de aspecto (Ver punto), para ver si dichas probetas cumplen lo requerido para los ensayos de carga puntual, de no ser as la probeta debe ser reemplazada por otra.

Figura 2 Dimensiones probetas

Se debe realizar una descripcin visual de los testigos tratando de identificar minerales y litologa. As como tambin la presencia de algunas fracturas en las muestras.

Se procede a ubicar la muestra o la mayor dimensin entre las dos puntas cnicas del equipo de carga puntual (ver Figura 3).

Figura 3 Colocacin y ajuste de la probeta antes de ensayar en carga puntual

Se debe verificar que la distancia entre las puntas corresponda al dimetro o la mayor dimensin de la probeta.

Una vez ubicada y verificada la posicin de la probeta, se cubre todo el equipo con una bolsa plstica para evitar que las muestras al ser ensayadas puedan provocar algn dao a equipos y/o personas (ver Figura 4).

Figura 4 Colocacin de plstico de proteccin ensayo de carga puntual

Se aplica la carga con la palanca en forma manual hasta producir la rotura de la probeta.

Una vez producida la rotura de la probeta, se lee del equipo la carga de ruptura (Ver Figura 5).

Figura 5 Lectura carga de rotura ensayo de carga puntual

Se debe finalmente verificar el tipo de ruptura de la probeta para determinar si el ensayo es vlido.

2.1.2 Determinacin de la resistencia

Segn el punto 9 de la norma ASTM D 5731, se calcula el ndice de carga puntual no corregido como:

Ec. 1 ndice de Carga Puntual sin corregir

Donde:

P: Carga de falla

De: Dimetro Equivalente

A este factor se le debe aplicar una correccin por forma, de la siguiente manera:

Ec. 2 ndice de Carga Puntual corregido por forma

As se puede estimar la resistencia uniaxial del testigo:

Ec. 3 Resistencia uniaxial

Donde C tiene los siguientes valores segn la Tabla 1 de la norma ASTM D 5731:

Tabla 1 Valor de C para clculo de resistencia uniaxial

La norma seala que:1. Especimenes con una relacin longitud/dimetro mayor de uno son adecuados para la prueba diametral.

2. Insertar espcimen en el dispositivo de prueba y cerrar las platinas para hacer contacto a lo largo de un dimetro del ncleo. Asegurndose de que la distancia entre el contacto y el extremo libre es al menos 0.5 veces el dimetro (ver Figura 6). Determinar y anotar el dimetro y el largo libre.3. Constantemente aumentar la carga de tal manera de producir un fallo dentro de 10 a 60s, y registrar la carga de falla. La prueba debe ser rechazada si la superficie de fractura pasa a travs de slo un punto de carga (ver Figura 7).

Figura 6 Configuracin de Espcimen y de Forma para ensayo de carga puntual diametral (Extrado Figura 3a, norma ASTM D 5731).

Figura 7 Modo de falla invlida

(Extrado Figura 4d, norma ASTM D 5731).

2.2 COMPRESIN UNIAXIAL

El Ensayo de compresin uniaxial permite determinar en laboratorio la resistencia uniaxial o no confinada de la roca y por lo tanto permite clasificar la roca por su resistencia. En la Figura 8 se presenta el equipo utilizado para esta experiencia. Este equipo puede aplicar una fuerza mxima de 50 toneladas y todo el sistema de soporte esta diseado para resistir 30 toneladas.

Figura 8 Equipo ensayo Compresin Uniaxial

2.2.1 Metodologa de ensayo Se debe determinar las probetas a estudiar, que son cilindros de roca. En general se deben ensayar tres probetas. Las dimensiones de las tres probetas deben ser iguales para no tener dispersin en los resultados, y la altura de la probeta debe ser al menos 2 veces el dimetro.

La probeta debe ser preparada, especialmente en sus bases las cuales deben ser planas y paralelas, de ser necesario se puede refrentar la base. La idea es que no se produzca una falla local en la probeta debido a un asentamiento diferencial que puede ocurrir cuando la base no es perfectamente lisa y paralela a la superficie de apoyo del ensayo.

Una vez determinadas las probetas se debe realizar una descripcin visual de los testigos tratando de identificar minerales y litologa. As como tambin la presencia de algunas fracturas presentes en las probetas.

Antes de ser ensayadas las muestras en la mquina, se les coloca una membrana plstica, para ver el tipo de rotura de la probeta (Ver Figura 9).

Figura 9 Proteccin de muestra con membrana plstica Compresin Uniaxial

Se coloca la muestra en la mquina, la cual es cubierta con unos paneles de acrlico para evitar cualquier peligro al producirse la rotura (Ver Figura 10).

Figura 10 Proteccin con acrlico ensayo Compresin Uniaxial Una vez ubicada la muestra se va aplicando la carga manualmente con un gato hidrulico, hasta llevar la probeta a la rotura. Un computador va midiendo el voltaje que se traduce despus en la fuerza aplicada en la probeta (Ver Figura 11).

Figura 11 Toma de datos ensayo compresin uniaxial2.3 TRIAXIAL

El ensayo triaxial busca representar las condiciones de la roca in-situ sometida a esfuerzos confinantes, mediante la aplicacin de presin hidrulica uniforme alrededor de la probeta. La cmara triaxial consta de un cilindro con aceite hidrulico (que no se comprime a grandes presiones) y un gato hidrulico que aplica la presin de confinamiento a la muestra.2.3.1 Metodologa ensayo Se debe determinar las probetas a estudiar, que son cilindros de roca. En general se deben ensayar tres probetas iguales, sometidas a diferentes presiones de cmara o confinamiento. En general se recomienda ensayar siempre al doble de la presin en cada ensayo.

Una vez determinadas las probetas se debe realizar una descripcin visual de los testigos tratando de identificar minerales y litologa. As como tambin la presencia de algunas fracturas presentes en las probetas.

Antes de ser ensayadas las muestras en la mquina, se les coloca una membrana plstica, que permite aislar la muestra de la presin de aceite y ver la forma de la rotura.

La probeta lleva en la parte superior un rotula, as como tambin dos elsticos en la parte superior e inferior que eviten que entre aceite dentro de la muestra.

Se coloca la muestra dentro de la cmara o cilindro con aceite.

Se retira el exceso de aceite de la cmara. Se coloca dentro de la prensa hidrulica.

Se aplica la presin de confinamiento manualmente con un gato hidrulico.

Se empieza aplicar la carga en la prensa hidrulica.

El computador va midiendo el voltaje que se convierte en carga. Durante toda el ensayo se debe verificar la presin de confinamiento ya que esta se aplica manualmente y debe ser mantenida hasta que la probeta falle.3 RESULTADOSA continuacin se presenta los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio realizados.3.1 DESCRIPCIN DE MUESTRAS

Se tomaron como fue sealado anteriormente, tres muestras para el ensayo de carga puntual y una muestra para el ensayo de compresin uniaxial y triaxial y que identificaron como se presenta a continuacin en la tabla.

TESTIGOLargo

mmDimetro

mmEnsayo

M160Compresin Uniaxial

M29660Compresin Triaxial

M338(*)60Carga Puntual

M4105(*)60Carga Puntual

M5150(*)60Carga Puntual

(*) Largo promedio

Tabla 2 Resumen de probetas utilizadasDe al descripcin visual que se realiz a las probetas se constato para la muestra que en general la probetas presentaban un color caf claro, con un alto grado de meteorizacin. Se aprecian fallas en sentido vertical, es decir en sentido longitudinal al eje del sondaje. En generan las aberturas de dichas grietas estaban comprendidas entre 0.9 a 0.9 mm para la probeta M5 y entre 0.2 a 0.3 mm para la probeta M4. Asimismo se aprecio cierto grado de metamorfismo en ciertas probetas, ya que se aprecia cierto grado bandeamiento en ellas, ver Figura 15 y 16.

Figura 12 Testigo M1

Figura 13 Testigo M2

Figura 14 Testigo M3

Figura 15 Testigo M4

Figura 16 Testigo M5

3.2 CARGA PUNTUALEn las Figura 17, 18 y 19 se presentan las roturas obtenidas para las tres probetas ensayadas a carga puntual.

Figura 17 Rotura testigo M3

Figura 18 Rotura testigo M4

Figura 19 Rotura testigo M5

En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos para el ensayo de carga puntual de las tres probetas ensayadas. De los datos se determina lo siguiente:

TESTIGOLargo

Total

mmDimetro

mmCargakNCargaNDemmIS60MPaIS50MPaUCSMPa

M338(*)601.051050600.290.327.28

M4105(*)608.338330602.312.5157.8

M5150(*)608.888880602.472.6861.6

(*) Largo promedioTabla 3 Resumen de Valores ensayos de Carga Puntual

El ensayo exige que la distancia de aplicacin de la carga sea L (largo libre)>0.5D, siendo D el dimetro de la muestra. Como la carga fue siempre aplicada en la parte central de la muestra esta condicin se cumple en las muestras M4 y M5, pero no en la muestra M3. Al descartar la validez del ensayo del testigo M3 (por forma y falla, ver Figura 13), se promedian los valores de M4 y M5 para obtener la resistencia uniaxial:

.Con este valor obtenido se pude clasificar el material ensayado segn los criterios de Brown (1981) (ver Tabla 6) y por Waltham (1994) (ver Tabla 5):Descripcin rocaUCS

MPaCaractersticas

BrownR4- Roca Fuerte50-100Espcimen requiere ms de un golpe del martillo geolgico para fracturar, ej: caliza, mrmol, filita, arenisca, esquisto, pizarra

WalthamRoca moderadamente resistente50-100Se marca con el martillo

Tabla 4 Clasificacin de material ensayado segn UCSDescripcin rocaUCS(MPa)Caractersticas

Roca muy resistente>200Rebote del martillo

Roca resistente100-200Se rompe con un golpe firme de martillo

Roca moderadamente resistente50-100Se marca con el martillo

Roca moderadamente blanda10-50No se rompe con la mano

Roca blanda1.5-10Se rompe con un elemento punzante

Roca muy blanda0.6-1.5Se rompe con la mano

Suelo muy firme0.3-0.6Se marca con la ua

Tabla 5 Descripcin y estimacin de la resistencia en terreno. (Modificado de Waltham,1994).

Tabla 6 Clasificacin Brown (1981)3.3 UNIAXIALEl ensayo uniaxial tuvo un final abrupto, debido a que la prensa no mantuvo su cara de carga perpendicular al eje del testigo, obteniendo un resultado no vlido de:

Ec. 4 Tensin Ensayo UniaxialEn la Figura 20 se presenta el resultado obtenido en la medicin del voltaje durante la realizacin del ensayo.

Figura 20 Ensayo de Compresin SimpleEn la Figura 21 se presenta el tipo de rotura de la muestra, aprecindose que el ensayo no fue vlido, ya que fall en los borde por una mala terminacin de las cara de la probeta, las cuales deben ser lisas y paralelas a la superficie de aplicacin de carga, para que no ocurran estos problemas.

Figura 21 Rotura testigo M5

3.4 TRIAXIALEl ensayo triaxial se realiz con una presin de confinamiento o de campo de .Obteniendo una carga de rotura de:

Ec. 5 Tensin Ensayo Triaxial

En la Figura 22 se presenta los resultados obtenidos en el ensayo triaxial, en que se aprecia la medicin del voltaje durante la aplicacin de la carga. El valor del voltaje se traduce en la carga que esta siendo tomada por la probeta.

Figura 22 Ensayo de Compresin Triaxial

En las Figura 23 se aprecia el tipo de rotura de la probeta, se aprecia una falla vertical en el testigo. En las Figura 24 se muestra otra vista del testigo ensayado y en al Figura 25 se aprecia como ha fallado la probeta una vez que se retira la membrana de proteccin. Sin embargo durante la experiencia se produjo la falla del gato hidrulico que aplica manualmente la presin de confinamiento, y por los resultados obtenidos no se encuentra vlido los resultados obtenidos.

Figura 23 Rotura testigo ensayado por compresin triaxial

Figura 24 Otra vista de rotura testigo ensayado por compresin triaxial

Figura 25 Otra vista de testigo ensayado por compresin triaxial3.5 RESISTENCIA A CORTE

Utilizando los parmetros encontrados en los puntos anteriores, se estiman los parmetros de cohesin (c) y ngulo de friccin interna () de Mohr-Coloumb. En resumen tenemos:

TRIAXIALCARGA PUNTUAL

1=273.65kgf/cm277371=597.15kgf/cm2

3=40kgf/cm23=0kgf/cm2

(1- 3)/2=116.83kgf/cm2(1- 3)/2=298.58kgf/cm2

(1+ 3)/2=156.83kgf/cm2(1+ 3)/2=298.58kgf/cm2

Tabla 7 Resumen esfuerzos Si graficamos los esfuerzos mediante el crculo de Mohr, obtenemos:

Figura 26 Resultados de Ensayos - Crculo de MohrLos resultados obtenidos, no permiten estimar los parmetros del criterio de Mohr-Coloumb, pues los resultados del esfuerzo principal (1) del ensayo triaxial son menores que el del uniaxial, contradiciendo lo terico y lo prctico.Revisando la litologa de las muestras, ms la estimacin de la resistencia uniaxial (UCS) obtenida con los ensayos de carga puntual, podemos concluir que la litologa de la roca ensayada corresponde a una arenisca (el valor de UCS se encuentra dentro del rango terico y clasificacin de Brown lo indica).

Por esto se puede estimar una carga de falla para el ensayo triaxial, considerando una presin de campo de 40kgf/cm2, y obtener parmetros de c y dentro de los parmetros tericos:RocaResistencia a compresin simpleCohesin

MPangulo de

Friccin ()

Valores Medios

MPaRango de Valores

MPa

Arenisca55-14030-2358-3530-50

Tabla 8 Parmetros mecnicos Arenisca (Informacin gua laboratorio)Suponiendo un =30, se necesita una carga de falla en el triaxial de 20277kgf, obteniendo:

TRIAXIALUNIAXIALResistencia a Corte

1=717.15kgf/cm21=597.15kgf/cm2c=172.39kgf/cm2

3=40.00kgf/cm23=0.00kgf/cm216.9MPa

(1- 3)/2=338.58kgf/cm2(1- 3)/2=298.58kgf/cm2=30.00

(1+ 3)/2=378.58kgf/cm2(1+ 3)/2=298.58kgf/cm2

Tabla 9 Resultados para Triaxial con carga de falla de 20277kgf

Figura 27 Crculo de Mohr, para Triaxial con carga de falla de 20277kgfSuponiendo un =50, se necesita una carga de falla en el triaxial de 25421kgf, obteniendo:

TRIAXIALUNIAXIALResistencia a Corte

1=899.10kgf/cm21=597.15kgf/cm2c=108.67kgf/cm2

3=40.00kgf/cm23=0.00kgf/cm210.7MPa

(1- 3)/2=429.55kgf/cm2(1- 3)/2=298.58kgf/cm2=50.00

(1+ 3)/2=469.55kgf/cm2(1+ 3)/2=298.58kgf/cm2

Tabla 10 Resultados para Triaxial con carga de falla de 25421kgf

Figura 28 Crculo de Mohr, para Triaxial con carga de falla de 25421kgfPor lo tanto, si se hubiera tenido una carga de falla en el ensayo triaxial (con una presin de campo de 40kgf/cm2) entre 20277 y 25421kgf, el ngulo de friccin interna variara entre 30 y 50, mientras la cohesin variara entre 10.7 y 16.9MPa (encontrndose dentro del rango indicado en la Tabla 8).4 DISCUSIONES En general el nmero de probetas ensayadas para cada prueba debe ser a lo menos de tres testigos o ms, para poder analizar la correlacin de los resultados. Slo en el ensayo de carga puntual se consideraron tres muestras, en los ensayos de compresin uniaxial y triaxial slo una muestra por ensayo, lo que no es recomendado y baja la confiabilidad de los resultados obtenidos.

Se tuvo problemas para la ejecucin de varios ensayos: En el caso del ensayo de Carga Puntual, no se respetaron las condiciones mnimas (geomtricas) para el ensayo del testigo M3. En el caso del ensayo de Compresin Uniaxial, el ensayo no se pudo completar debido al no paralelismo entre las caras cargadas, lo que significo que la probeta fallara en sus bordes por una mala distribucin de la carga aplicada. Y al slo ensayar una muestra y fallara el ensayo no se puede contar con los resultados. En el caso del ensayo triaxial, los resultados obtenidos difieren de los tericamente debieran dar (lo terico indica que con presin de campo, el esfuerzo principal de rotura debe ser mayor). Como fue mencionado durante la experiencia se produjo la falla del gato hidrulico que aplicaba la presin de confinamiento, y al slo ensayar una muestra los resultados pueden resultar finalmente nos vlidos. Debido a los pocos resultados vlidos, los resultados de los valores que determinan la resistencia a corte, no pudieron ser determinados, si no slo un rango para estas variables.5 CONCLUSIONES

Solo se pudo establecer el valor de resistencia a compresin uniaxial mediante el ensayo de carga puntual. En general el ensayo de carga puntual es un ensayo que se aplica en terreno, como una primera aproximacin de la calidad de la roca para poder as clasificarla. Sin embargo esta aproximacin inicial debe ser respalda por los ensayos de laboratorio ms fiable para la determinacin de la resistencia de la roca intacta, y para ello es clave contar con los resultados de la compresin uniaxial y triaxial. Segn la clasificacin de las Tabla 5 y Tabla 6 el material ensayado corresponde una roca fuerte (R4) segn Brown y una roca moderadamente resistente segn Waltham. Para establecer claramente los parmetros de resistencia uniaxial, cohesin y ngulo de friccin, deben realizarse nuevos ensayos de compresin uniaxial y triaxial. Con la informacin disponible del ensayo de carga puntual, se pudieron encontrar rangos de valores, basndose en resultados tericos, para los parmetros cohesin y ngulo de friccin.

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