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7/25/2019 Tema n 6_1 curso 2013_2014
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Mecnica de RocasTema 6.
Ensayos de Caracterizacin
Universidade da Corua
Jordi Delgado MartnE.T.S. Ingenieros de Caminos,
Canales y Puertos
Tema 6.1.
Propiedades Bsicas delas Rocas
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Tipos de Ensayo en MMRREnsayos para determinarpropiedades ndice:
Caracterizan propiedades de la matriz rocosa y facilitansu clasificacin
PorosidadDensidad (y parmetros derivados)Velocidad de propagacin de ondas acsticasPermeabilidadDurabilidadResistenciaDurezaCompacidadAbrasividadPropiedades expansivas
Tipos de Ensayo en MMRR
Ensayos de diseoInforman del comportamiento tensodeformacional de lasrocas. P. Ej.
Parmetros elsticos (mdulo de Young, coeficiente dePoisson)Capacidad de fluenciaCapacidad de propagacin de fisuras
Ensayos relativos al comportamiento de las juntasInforman sobre las caractersticas resistentes de las
juntas de un macizo rocoso. P. Ej.Resistencia cortante de las juntas
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Preparacin de Probetas
Porosidad y Porosidad Eficaz
tot
h
V
Vn
totw
osate
V
WWn
sec
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Porosidadwd
wd
e
ex
V
Vn
stot
h
111100
w
d
h
wr
n
wx
V
VS
100100
100xM
Mw
s
w
n
nx
V
Ve
s
h
1
100 Relacin de huecos
Grado de saturacin
Contenido de agua
Porosidad
Porosidad
Relacinporosidad/resistenciaa compresin simple
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PorosidadTipo Porosidad (%) Tipo Porosidad (%)
Depsitos no consolidados Rocas
Grava (s.l.) 25 40 Basalto fracturado 3 40Grava gruesa 24 36 Caliza krstica 5 50
Grava fina 25 38 Arenisca 5 30Arena (s.l.) 25 50 Limolita 21 41
Arena gruesa 31 46 Caliza, doloma 0 40Arena fina 26 53 Pizarra 0 10
Limo 34 61 Roca cristalina fracturada 0 10Arcilla 34 70 Roca cristalina densa 0 5
Granito meteorizado 34 57Gabro meteorizado 42 45
Porosidad
Determinacin de la
porosidad mediante unporosmetro de
intrusin de mercurio
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Porosidad
d
)cos(4P
P: presin de inyeccin: tensin superficial del lquido: ngulo de contacto lquido/slidod: dimetro del poro
Porosmetro de Hg
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Peso Especfico y Densidad
g
dtot
ws
tot
w
V
MM
V
M
1001
w
G
Peso especfico (unit weigth)
Densidad
(bulk density)
Densidad relativa (specific gravity)
tot
sd
V
M Densidad seca (dry density)
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Gravedad Especfica de
MineralesMineral Densidad Relativa, G Mineral Densidad Relativa, G
Halita 2.1 2.6 Biotita 2.8 3.1
Yeso 2.3 2.4 Dolomita 2.8 3.1
Serpentina 2.3 2.6 Anhidrita 2.9 3.0
Ortosa 2.5 2.6 Piroxeno 3.2 3.6
Calcedonia 2.6 2.64 Olivino 3.2 3.6
Cuarzo 2.65 Barita 4.3 4.6
Plagioclasa 2.6 2.8 Magnetita 4.4 5.2
Clorita Illita 2.6 3.0 Pirita 4.9 5.2
Calcita 2.7 Ilmenita 5.5 6.0
Moscovita 2.7 3.0 Galena 7.4 7.6Mercurio 13.546
Roca Densidad Seca (g/cm3)Sienita nefelnica 2.7
Sienita 2.6Granito 2.65Diorita 2.85Gabro 3.0
Yeso 2.3Sal 2.1
Carbn 0.7 2.0Pizarra bituminosa 1.6 2.7
Caliza (densa) 2.7Mrmol 2.75
Pizarra (Oklahoma, a 1000 pies de profundidad) 2.25Pizarra (Oklahoma, a 3000 pies de profundidad) 2.52Pizarra (Oklahoma, a 5000 pies de profundidad) 2.62
Micaesquisto 2.82Anfibolita 2.99
Riolita 2.37Basalto 2.77
Valores Tpicos de Rocas
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Permeabilidad
K = conductividad hidrulica o coeficiente depermeabilidad (m/s)k = permeabilidad intrnseca o absoluta (m2) = densidad del fluido (kg/m3) = viscosidad del fluido (Pa.s)
Permeabilidad
Lquidos (p. ej. agua)
Gases
1 darcy = 9.869233x10-13 m2
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Permeabilidad
Permeabilidad
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Permeabilidad
Permeabilidad
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Permeabilidad
Permeabilidad
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Permeabilidad
Permeabilidad
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Permeabilidad
Permeabilidad
1 darcy = 9.869233x10-13 m2
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Permeabilidad
PermeabilidadRoca/Formacin Campo Laboratorio
Arenisca 3x103a 8x108 1x103a 3x108
Formacin Navajo 2x103Arenisca
Formacin Berea 4x105
Grauvaca 3.2x10
8Pizarra 109a 5x1013 108a 1011
PizarraFormacin Pierre 5x1012 2x109a 5x1011
Caliza, Doloma 105a 1013 103a 107Caliza, doloma
Formacin Salem 2x106
Basalto 1012 102a 107
Granito 107a 10-11 104a 109
Esquisto 108 2x107
Esquisto fisurado 1x104a 3x104
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DurabilidadEnsayos de inmersinSlake Durability Test (ISRM, 1972)
Franklin y Chandra (1972)ASTM D4644-87 (1998) Se toman 10 trozos de roca (Wtot ~ 500 g) Se hacen girar en el tambor sumergido en agua
durante 10 min, a 20 rpm. Tras dos ciclos de giro (con secado intermedio de la
muestra a 105 C), se mide la variacin de peso entreal principio y fin del ensayo.
100(%) sec xW
WI
inicial
od
Durabilidad
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Slake Durability Test
Clasificacin de Rocas deAcuerdo con su Durabilidad
Categora de Durabilidad% retenido tras unciclo de 10 minutos
% retenido tras dosciclos de 10 minutos
Extremadamente alta > 99 > 98Muy alta 98 99 95 98Media alta 95 98 85 95
Media 85 95 60 85Baja 60 85 30 60
Muy baja < 60 < 30
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Velocidad de Propagacin de
Ondas SnicasDa una indicacin muy fiable del grado de fisuracinde una roca (y de otros materiales).Aporta informacin valiosa sobre los mduloselsticos (dinmicos) del espcimen.Se determinan VPy VSEl mtodo recomendado est descrito en la normaASTM D2845-00
Se recomienda realizar no menos de 5 medidas pormuestra.
Velocidad de Propagacin deOndas Snicas
Hertz (ciclo/s)
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Velocidad de Propagacin de
Ondas Snicas
Emisor Snico - OsciladoresPiezoelctricos
Los cristalespiezoelctricos
transforman la energaelctrica en mecnica a
travs de variacionesoscilatorias de volumenque producen unavibracin armnica
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Cristales Piezoelctricos
Transductores Tpicos
transmisor receptor
cable
barreraacstica
dispositivotpico deultra-sonidos
elementoanalizado
trayectoriade los haces
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Velocidad de Propagacin de
Ondas Snicas
Mdulos Elsticos Dinmicos
22
222 43
SP
SPS
din VV
VVVE
2222
2 SP
SPdin
VV
VV
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Velocidad de Propagacin de
Ondas Snicas en RocasLitologa
VP(m/s)
LitologaVP
(m/s)Arenisca 1400 4200 Gneiss 3100 5500Basalto 4500 6500 Granito (sano) 4500 6000Caliza 2500 6000 Lutita 1400 3000
Conglomerado 2500 5000 Marga 1800 3200Cuarcita 5000 6500 Mrmol 3500 6000Diabasa 5500 7000 Pizarra 3500 5000
Dolerita 4500 6500 Sal 4500 6000Doloma 5000 6000 Yeso 3000 4000Gabro 4500 6500
Velocidades Tericas dePropagacin
Litologa*
PV
(m/s)
Gabro 7000Basalto 6500 7000
Caliza 6000 6500Doloma 6500 7000Arenisca y Cuarcita 6000
Rocas granticas 5500 6000
Fourmaintraux (1976)
i iP
i
P V
C
V ,*
1
Mineral VP (m/s)
Cuarzo 6050Olivino 8400Augita 7200
Anfbol 7200Moscovita 5800Ortosa 5800
Plagioclasa 6250Calcita 6600
Dolomita 7500Magnetita 7400
Yeso 5200Epidota 7450Pirita 8000
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ndice de Calidad IQ
100(%)*x
V
VIQ
P
P
DurezaEs un parmetro importante relacionado con elpoder abrasivo de las rocas.
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DurezaExisten muchas formas de determinar la dureza delos materiales:
Knoop (indentacin o punzonamiento esttico)Rockwell (indentacin o punzonamiento esttico)Vickers (indentacin o punzonamiento esttico)Brinell (indentacin o punzonamiento esttico)Mohs (raya)Rosiwal (pulido)Chorro de arena (erosin)Shore (rebote dinmico)
Schmidt (rebote dinmico)
Dureza Vickers
La dureza Vickers (HV) se define como...
)(4.1854 2 MPad
gM
A
F
HV donde:
M = masa aplicada sobre el indentador (en g)g = constante gravitacional (9.81 m/s2)d = dimetro de la indentacin permanente (m)
El nmero de dureza Vickers se expresa en kg/mm2
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Mineral/Roca Dureza Mohs Mineral/Roca Dureza MohsDiamante 10.0 Caliza 3.3Cuarzo 7.0 Esquisto Pizarra 3.1Basalto 7.0 Calcita 3.0Chert 6.5 Antracita 3.0
Feldespato 6.2 Mrmol 3.0Gneiss 5.2 Pizarra bituminosa 2.5
Esquisto 5.0 Mica 2.3Magnetita 4.2 Yeso 2.0
Arenisca 3.8 Talco 1.0Dolomita 3.7
Dureza Mohs de Minerales yRocas
Dureza Mohs de Rocas
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Dureza en Funcin de T
Dureza
Knoop
(kg/mm2)
Temperatura (C)
Ensayo de Penetracin porPunzonamiento
S
SP
I635.0
S
SP
I635.0
Punch Penetration Test e indentador cnico del NCB
Desarrollado por el National British Coal Board para estimar la resistencia derocas susceptibles de ser excavadas por equipos de obra.
No es adecuado para rocas muy duras o abrasivas (p. Ej. calizas, granitos,...)El tamao de la probeta es 25x25x6 mm
SIC 8.240
PS = penetracin del punzn en la roca (mm)C0 = resistencia a compresin simple
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Resistencia al Impacto
(Rock Toughness Index)ASTM D3 (resistencia al impacto)Se deja caer un martillo percutor de 2 kg demasa desde una altura de 1 cm sobre unaprobeta lisa de roca (25 mm espesor y 24 25mm )Se incrementa progresivamente la altura del
martillo (en etapas de 1 cm) hasta que la rocase rompe: ndice de tenacidad de la roca
AbrasividadEs un parmetro ndice importante desde el puntode vista del desgaste de los elementos de corte yperforacin.
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Ensayos para Rocasndice de abrasividad Cerchar (CAI)Ensayo de abrasin TaberEnsayo de ShimazekCoeficiente de desgaste, F
ndice de AbrasividadCerchar
10
1
0254.0i
idCAICAI
xmCLI
21006.2)(
CLI: cutter LifeIndex
CAI: CercharAbrasivity Index
7 kg
90
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ndice de Abrasividad
Cerchar
ndice de AbrasividadCerchar
Clasificacin CAI Tipo de Roca
Extremadamenteabrasiva
> 4.5 Gneiss, pegmatita, granito
Muy abrasiva 4.25 4.5
Anfibolita, granito
Abrasiva4.0 4.25
Granito, gneiss, esquistos, piroxenita,arenisca
Moderadamente abrasiva 3.5 4.0 AreniscaAbrasividad media 2.5 3.5 Gneiss, granito, dolerita
Poco abrasiva 1.2 2.5 AreniscaMuy poco abrasiva < 1.2 caliza
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ndice de Abrasividad
CercharLitologa Procedencia CAI Litologa Procedencia CAIPizarra
Nueva York,USA
0.9 Granito Suecia 4.0
Pizarra Ohio, USA 1.1 DioritaCarolina del Norte,
USA4.1
Caliza Illinois, USA 1.1 Gneiss Georgia, USA 4.1
AreniscaBerea, Ohio,
USA1.2 Cuarzo-gneiss Georgia, USA 4.3
Caliza Indiana, USA 1.3 Cuarcita frica oriental 4.3Filita Noruega 1.3 Gneiss Noruega 4.4
MicaesquistoWashington,
USA2.2 Arenisca Kentucky, USA 4.7
Andesita Arizona, USA 2.3 Cuarzo-gneiss Noruega 4.8Cuarzodiorita Noruega 3.2
Granito-Gneiss
Noruega 4.8
Arenisca roja Kentucky, USA 3.6 Micaesquisto Nueva York, USA 5.3Anfibolita Norueka 3.6 Cuarcita Noruega 5.9
Gabro Noruega 3.7 GranodioritaCarolina del Norte,
USA3.9
Ensayo de Abrasin Taber
ASTM C1353-98
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Coeficiente de Desgaste, F
100
mequivQF
RozabilidadCoeficiente de desgaste, F(kgf/cm) Calificacin m3/h
0.2 0.3 Muy buena 45 650.3 0.4 Buena 30 45
0.4 0.5 Moderada 20 300.5 0.6 Regular 15 200.6 0.8 Mala 10 150.8 1.0 Muy mala 6 10
Indicador del poder abrasivode las rocas que contienen
cuarzo
Ensayo de HinchamientoISRM (1972)