“La Deformabilidad de las Rocas”

Profesor: Amador Hassell

Introducción

La deformabilidad significa la capacidad de la roca a la tensión bajo

cargas aplicadas o en respuesta a la descarga

sobre excavaciones.

Las tensiones en la roca son preocupación en la ingeniería,

incluso cuando hay poco riesgo de fracaso en la roca porque

localmente grandes desplazamientos de rocas pueden aumentar las tensiones dentro de

las estructuras.

Hay muchas situaciones en las cuales los desplazamientos de la roca deberían calcularse. Al diseñar un túnel, uno debería conocer el expansión del suelo debajo para manejar la presión, así como también la cantidad de recuperación cuando la presión es aminorada.

El esfuerzo al corte desarrolló en una represa concreta debido a deformabilidad variable en la fundación de roca.

Comportamiento Elástico e Inelástico

No es suficiente caracterizar la deformabilidad de la roca por las constantes elásticas a solas, pues muchas rocas son poco elásticas.

La elasticidad se refiere a la propiedad de reversibilidad de la deformación en respuesta a carga. Muchas, rocas duras frescas son elásticas cuando se considera como muestras de laboratorio.

Pero en la escala de campo, donde se espera que la roca contiene fisuras, fracturas, planos de estratificación, los contactos y la zona de rocas y arcillas con propiedades plásticas alterada, la mayoría de las rocas no exhibe una elasticidad perfecta.

Carga /Deformación

La deformación Permanente de principio básico causó por ciclos de depósito llenándose y vaciándose.

La extensión de irrecuperabilidad de tensión en respuesta a ciclos de carga puede ser tan importante para el diseño como la cuesta de la curva de carga /deformación. La fig. muestra como el depósito detrás de la represa traviesa se levanta, la roca bajo las ménsulas traviesas a lo largo de curva .

CONSTANTES ELÁSTICAS La deformación de sólidos isotrópicos linealmente elásticas se

puede calcular para saber incrementos de tensión si se especifican sólo dos constantes del material.

El módulo de Young, E (el "módulo de elasticidad"), y la proporción de Poisson, v.

CONSTANTES ELÁSTICASLa E de cantidades y v pueden estar resueltas directamente de pruebas donde la tensión sabida es aplicada y las tensiones son medidas. Dónde las tensiones están los aplicados y los cambios de tensión son medidos, es más natural usar la constante Lame y la G de módulo de esfuerzo al corte como las dos constantes elásticas; Estos están definidos por :

CONSTANTES ELÁSTICAS• Las relaciones entre los dos sets de constantes son

• Otra constante es realmente útil – el módulo de la masa

(K) – cuáles expreses la relación entre la presión hidrostática (p) y la tensión volumétrica (delta V/V).

CONSTANTES ELÁSTICAS Muchas masas de roca son aniso trópicas, es decir, direccional en su comportamiento debido a los capas regulares o tela, unión u orientado o microestructura que hace que la roca misma aniso trópico. Pocas veces es posible hacer frente a la anisotropía extrema, pero la simetría ortos trópicos se pueden introducir en los cálculos matemáticos sin carga.

En este último caso, hay tres direcciones mutuamente perpendiculares de simetría, referida como direcciones principales de simetría. Si la roca tiene tres sets perpendiculares de junturas, por ejemplo, debería comportarse orto trópicos (En tender a crecer o formar a lo largo de un eje vertical). Si la letra x, y, y z son paralelo escogido para las direcciones de simetría ortos trópicos

CONSTANTES ELÁSTICAS

El vij de proporción de Poisson ‘s determina la tensión normal en j de dirección de simetría cuando la tensión está añadida en la dirección de simetría

LA MEDIDA DE PROPIEDADES DE DEFORMABILIDAD POR LAS PRUEBAS ESTÁTICAS

Las relaciones de tensión-deformación pueden ser observadas en la prueba estática y dinámica llevada a cabo en el laboratorio o en el campo.

Las propiedades de deformabilidad luego pueden ser obtenidas de los datos dado que algunos idealizaron modelo describe el comportamiento de la roca en la configuración experimental.

Las propiedades de deformabilidad también pueden estar de regreso calculadas de datos instrumentales en los movimientos de una estructura o una excavación.

Laboratorio de Ensayo de Compresión

Una prueba ilimitada de compresión en un corazón de roca, con fines cuidadosamente suavizados y longitud para la proporción de diámetro de 2, produce una curva de tensión.

La tensión axial puede ser medida con tensión calibra montado en el espécimen o con un extensómetro conectado paralelo para la longitud del espécimen;

La tensión lateral puede ser medida usando calibradores de tensión alrededor de la circunferencia, o un extensómetro a través del diámetro.

La proporción de lateral para las magnitudes axiales de tensión determina la proporción de Poisson (v). Con rocas duras, no es usualmente aceptable a determinar tensión axial de acortamiento medido del espacio duro ("el movimiento de la cruceta") porque el desplazamiento relativamente grande ocurre en los fines donde la roca contacta las platinas de la máquina dura.

TABLA 6.1 

La proporción de módulo y la Proporción de Poisson (v), (E / qu) para los Especímenes de la Roca

Prueba de Carga con Placa

La deformabilidad de roca puede ser medida en el campo cargando una superficie de la roca y monitoreando la deformación resultante.

El sitio debe ser seleccionado cuidadosamente para excluir roca suelta, altamente fracturada que podría ser poco representativa de la condición promedia de la roca. Una superficie de la roca relativamente plana está tallada y nivelada con mortero para recibir platos de compostura de la circular 50 cm para 1 m en el diámetro.

La profundidad del volumen de la roca afectado es proporcional para el diámetro del área cargado, así es que gusta para escoger un píate grande de compostura, La carga puede ser aplicada por cilindros hidráulicos reaccionando contra la pared opuesta de la galería.

LA PRUEBA DE BARRENO

La deformabilidad de la roca también puede ser medida estáticamente en barrenos. La prueba del dilatómetro es un experimento de expansión del barreno transmitido con una manga cauchera.

La expansión del barreno es medida por el aceite o el flujo del gas en la manga como la presión está levantado, o por potenciómetros o lineales transformadores variables y diferenciales construidos dentro de la manga.

LA PRUEBA DE LA GALERÍALa prueba de la galería es un experimento similar transmitido dentro de una sección a la que se dirigió en masa de un túnel. El costo de pruebas de la galería ha tendido a minimizar su aplicación en estos últimos años. El gato del barreno es similar al dilatómetro excepto que las cargas son unidireccional aplicado a través de un diámetro.

PRUEBAS de Elevación RADIALES

Entre lo in-situ más grande las pruebas usadas para la deformabilidad de medida de roca son radiales levantando con la gata exámenes (la Figura 6.6 b), una acomodación del "TIWAG" prueba usada en Europa. Las cargas son aplicadas a la circunferencia de un túnel por unos seríes de gatas reaccionando contra miembros acerados circulares del anillo.

La prueba le permite la dirección de carga ser corrida en el sitio Castaño Rojizo de la Represa y a través de éstas una buena comprensión de la variación y la distribución de valores de deformabilidad a todo lo largo del sitio de la represa fue ganada.

Prueba Plana Jack

La prueba-gato plano simple permite determinar el nivel de estrés instalado en un punto de una estructura dada. La prueba se divide en dos etapas: la medición de la reducción de la distancia entre dos líneas

horizontales ubicadas por debajo y por encima de un corte hecho en la pared para introducir el-gato plano;

la determinación de la presión para introducir en el -gato plano para restaurar la posición de las dos líneas antes del corte. Esta presión corresponde a la tensión vertical instalado en la pared en el plano del corte.

La prueba-gato plano doble fue creado para determinar en el lugar de las curvas de comportamiento (estrés frente a la deformación) de los materiales y, por lo tanto, para estimar su módulo elástico y, a través de otras relaciones establecidas en la literatura, la capacidad de carga. Esta prueba suele ir precedida de una prueba de gato plano simple.

Mediciones DinámicasLa velocidad de las ondas de tensión puede medirse en muestras de rocas de laboratorio y en el campo. La prueba de velocidad de pulso de laboratorio se ejecuta utilizando secciones de núcleo cilíndrico con extremos lisos, paralelas a las que se cementan cristales piezoeléctricos. Una alta frecuencia eléctrica pulso transmitido a uno real de cristal ,una onda de tensión que es recibida por el segundo cristal y reconvierte en una señal eléctrica.

Una línea de retardo permite que la forma de onda recibida se ajusta a la forma de onda de enviar en un osciloscopio y la demora necesaria para lograr este mide el tiempo de viaje para el pulso a través de la muestra.

Mediciones DinámicasEn el campo, velocidad de la onda se puede medir haciendo

pivotar un martillo contra un afloramiento y observando el tiempo de viaje (milisegundos, por lo general) a un geófono de pie sobre la roca a una distancia de hasta aproximadamente 50 m. Sismógrafos portátiles disponibles de varias fuentes comerciales son adecuadas para tales mediciones.

Otro método consiste en registrar el tiempo para un choque de viajar entre los puntos en los taladros espaciados 50 a 100 m de distancia. Ambos martillos de fondo de pozo y fuentes de explosivos se utilizan para tales mediciones.

Mediciones Dinámicas

La Influencia del Tiempo en la Deformación de las Roca

Tiempo: aumenta, en general, la plasticidad de las rocas, pero no es posible reproducir el tiempo en los laboratorios dado que la escala es de millones de años (factor muy importante).

Hasta ahora hemos omitido toda referencia a tiempo como un parámetro de deformaciones de roca. Puesto que ningún efecto puede ser verdaderamente instantánea, el tiempo debe ser implícita en todas las ecuaciones de conexión estrés y la tensión. En muchos casos, las deformaciones de roca se pueden calcular satisfactoriamente ignorando la influencia del tiempo, sin embargo, a veces no pueden.

La Influencia del Tiempo en la Deformación de las Roca

El desplazamientos pueden cambiar con el tiempo cuando: las cargas o presiones sobre el cambio de rock, como, por ejemplo, debido al flujo de agua, la geometría de los cambios de región cargadas o excavado, como por ejemplo por la excavación, la deformabilidad propiedades de la roca cambio, como por ejemplo por la intemperie o la hidratación, o la roca responde lentamente a los cambios de tensión o deformación.

Todos excepto el último factor puede ser acomodado por superposición adecuada de incrementos de tensión en una serie de análisis elásticos. Sin embargo, la última razón de dependencia con el tiempo, lo que podríamos llamar comportamiento viscoso, requiere más discusión.

Modelos Viscoelástica LinealEn un sólido viscoelástico:la deformación generalmente depende del

tiempo; aún en ausencia de fuerzas, la velocidad de deformación puede ser diferente de cero;

las tensiones y esfuerzos resistidos dependen tanto de la deformación como de la velocidad de deformación, por tanto la ecuación constitutiva que relaciona tensiones y deformaciones debe tener la forma

Físicamente las propiedades elásticas son el resultado de desplazar ligeramente los átomos de su posición de equilibrio a lo largo de planos cristalográficos, mientras las propiedades viscosas proceden de la difusión de átomos o moléculas en el interior del material.

La visco elasticidad es un tipo de comportamiento geológico inelástico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elásticas cuando se deforman.

Modelo de Maxwell El modelo de Maxwell es un caso

particular de la expresión en el que , también llamado material visco elástico de "larga memoria".

Una virtud del modelo de Maxwell es que admite una representación intuitiva en términos de muelles y disipadores (amortiguadores)

El modelo de Maxwell predice que la tensión decaerá exponencialmente con el tiempo en un polímero sometido a deformación constante, lo cual se ajusta bastante bien a lo observado experimentalmente para muchos polímeros.

Sin embargo, una limitación importante es que no predice el comportamiento de "creep" de muchos polímeros de manera demasiado fidedigna ya que en este caso predice un aumento lineal de la deformación con el tiempo si la tensión es constante, sin embargo la mayor parte de los polímeros muestran una tasa de deformación decreciente con el tiempo.

Las principales aplicaciones de este modelo son la modelización de los polímeros termoplásticos cerca de su temperatura de fusión, la del hormigón fresco y la de numerosos metales cerca de su punto de fusión.

Modelo de Kelvin-Voigt El modelo de Kelvin-Voigt o

modelo de Voigt es un caso particular de la expresión en el que , también llamado material visco elástico de "corta memoria".

Al igual que el modelo anterior admite una represensentación simple en términos de muelles y amortiguadores: el modelo es representable por un amortiguador newtoniano y un muello que sigue la ley de Hooke conectado en paralelo al amortiguador, tal como muestra la figura.

Este modelo se usa para explicar el comportamiento de "creep" de los polímeros. Aunque, al igual que el modelo de Maxwell, el modelo de Kelvin-Voigt tiene limitaciones empíricas. Aunque modela muy bien el "creep" con respecto a la relajación el modelo generalmente se ajusta menos al comportamiento de los materiales visco elásticos.

Las aplicaciones principales del modelo son la modelización de polímeros orgánicos, goma, caucho y madera cuando la carga no es muy elevada.

TERCIARIO CREEPLa deformación por fluencia lenta (en inglés, creep 'reptar, arrastrarse, deslizarse despacio') al incremento de deformación que sufre un material visco elástico cuando está sometido a una mecánica constante σ0.

En la etapa inicial, o la fluencia primaria, la velocidad de deformación es relativamente alta, pero disminuye al aumentar el tiempo. Esto se debe al endurecimiento por deformación. La velocidad de deformación eventualmente alcanza un mínimo y se vuelve casi constante. Esto es debido al equilibrio entre el trabajo de endurecimiento y de recocido (ablandamiento térmico). Esta etapa se conoce como la fluencia secundaria o de estado estacionario.

TERCIARIO CREEP

Esta etapa es la más entendida. La "tasa de deformación" se caracteriza típicamente se refiere a la velocidad en esta etapa secundaria. La dependencia de la tensión de este tipo depende del mecanismo de fluencia. En fluencia terciaria, la velocidad de deformación aumenta exponencialmente con el estrés debido a la formación de cuellos fenómenos.