Mecánica de Rocas. Tema 6. Ensayos de Caracterización. Jordi Delgado Martín E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidade da Coruña

Transcripción

1 Mecánica de Rocas Tema 6. Ensayos de Caracterización Jordi Delgado Martín E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidade da Coruña Tema 6.1. Propiedades Básicas de las Rocas 1

2 Tipos de Ensayo en MMRR Ensayos para determinar propiedades índice: Caracterizan propiedades de la matriz rocosa y facilitan su clasificación Porosidad Densidad (y parámetros derivados) elocidad de propagación de ondas acústicas Permeabilidad Durabilidad Resistencia Dureza Compacidad Abrasividad Propiedades expansivas Tipos de Ensayo en MMRR Ensayos de diseño Informan del comportamiento tensodeformacional de las rocas. P. Ej. Parámetros elásticos (módulo de Young, coeficiente de Poisson) Capacidad de fluencia Capacidad de propagación de fisuras Ensayos relativos al comportamiento de las juntas Informan sobre las características resistentes de las juntas de un macizo rocoso. P. Ej. Resistencia cortante de las juntas 2

3 Preparación de Probetas Porosidad y Porosidad Eficaz n h tot Wsat W ne w tot sec o 3

4 n e h tot h s Porosidad e wd x e 1 wd x n 1 n s 100 Relación de huecos Porosidad S r w h 100wd x100 n w Grado de saturación w M M w s x100 Contenido de agua Porosidad Relación porosidad/resistencia a compresión simple 4

5 Porosidad Tipo Porosidad (%) Tipo Porosidad (%) Depósitos no consolidados Rocas Grava (s.l.) Basalto fracturado 3 40 Grava gruesa Caliza kárstica 5 50 Grava fina Arenisca 5 30 Arena (s.l.) Limolita Arena gruesa Caliza, dolomía 0 40 Arena fina Pizarra 0 10 Limo Roca cristalina fracturada 0 10 Arcilla Roca cristalina densa 0 5 Granito meteorizado Gabro meteorizado Porosidad Determinación de la porosidad mediante un porosímetro de intrusión de mercurio 5

6 Porosidad 4cos( ) P d P: presión de inyección : tensión superficial del líquido Θ: ángulo de contacto líquido/sólido d: diámetro del poro Porosímetro de Hg 6

7 Peso Específico y Densidad g Peso específico (unit weigth) M M M 1 s w d tot tot 100 w Densidad (bulk density) G w Densidad relativa (specific gravity) d M s tot Densidad seca (dry density) 7

8 Peso Específico y Densidad G d d w Densidad relativa seca (dry specific gravity) sat M s h w tot Densidad saturada (saturated density) G sat sat w Densidad relativa saturada (saturated specific gravity) Densidad y Peso Específico s M s s 100d 100 n Densidad del sólido (solid o grain density) G s s w Densidad relativa del sólido (solid specific gravity) n G i1 G i i 8

9 Gravedad Específica de Minerales Mineral Densidad Relativa, G Mineral Densidad Relativa, G Halita Biotita Yeso Dolomita Serpentina Anhidrita Ortosa Piroxeno Calcedonia Olivino Cuarzo 2.65 Barita Plagioclasa Magnetita Clorita Illita Pirita Calcita 2.7 Ilmenita Moscovita Galena Mercurio alores Típicos de Rocas Roca Densidad Seca (g/cm 3 ) Sienita nefelínica 2.7 Sienita 2.6 Granito 2.65 Diorita 2.85 Gabro 3.0 Yeso 2.3 Sal 2.1 Carbón Pizarra bituminosa Caliza (densa) 2.7 Mármol 2.75 Pizarra (Oklahoma, a 1000 pies de profundidad) 2.25 Pizarra (Oklahoma, a 3000 pies de profundidad) 2.52 Pizarra (Oklahoma, a 5000 pies de profundidad) 2.62 Micaesquisto 2.82 Anfibolita 2.99 Riolita 2.37 Basalto

10 Permeabilidad Permeabilidad K = conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad (m/s) k = permeabilidad intrínseca o absoluta (m 2 ) = densidad del fluido (kg/m 3 ) = viscosidad del fluido (Pa.s) Líquidos (p. ej. agua) Gases 1 darcy = x10-13 m 2 10

11 Permeabilidad Permeabilidad 11

12 Permeabilidad Permeabilidad 12

13 Permeabilidad Permeabilidad 13

14 Permeabilidad Permeabilidad 14

15 Permeabilidad Permeabilidad 1 darcy = x10-13 m 2 15

16 Permeabilidad Permeabilidad Roca/Formación Campo Laboratorio Arenisca 3x10 3 a 8x10 8 1x10 3 a 3x10 8 Arenisca Formación Navajo 2x10 3 Formación Berea 4x10 5 Grauvaca 3.2x10 8 Pizarra Pizarra 10 9 a 5x a Formación Pierre 5x x10 9 a 5x10 11 Caliza, dolomía Caliza, Dolomía 10 5 a a 10 7 Formación Salem 2x10 6 Basalto a 10 7 Granito 10 7 a a 10 9 Esquisto x10 7 Esquisto fisurado 1x10 4 a 3x

17 Durabilidad Ensayos de inmersión Slake Durability Test (ISRM, 1972) Franklin y Chandra (1972) ASTM D (1998) Se toman 10 trozos de roca (W tot ~ 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 ºC), se mide la variación de peso entre al principio y fin del ensayo. I d Wsec o (%) x100 W inicial Durabilidad 17

18 Slake Durability Test Clasificación de Rocas de Acuerdo con su Durabilidad Categoría de Durabilidad % retenido tras un ciclo de 10 minutos % retenido tras dos ciclos de 10 minutos Extremadamente alta > 99 > 98 Muy alta Media alta Media Baja Muy baja < 60 < 30 18

19 elocidad de Propagación de Ondas Sónicas Da una indicación muy fiable del grado de fisuración de una roca (y de otros materiales). Aporta información valiosa sobre los módulos elásticos (dinámicos) del espécimen. Se determinan P y S El método recomendado está descrito en la norma ASTM D Se recomienda realizar no menos de 5 medidas por muestra. elocidad de Propagación de Ondas Sónicas Hertz (ciclo/s) 19

20 elocidad de Propagación de Ondas Sónicas Emisor Sónico - Osciladores Piezoeléctricos Los cristales piezoeléctricos transforman la energía eléctrica en mecánica a través de variaciones oscilatorias de volumen que producen una vibración armónica 20

21 Cristales Piezoeléctricos Transductores Típicos transmisor receptor dispositivo típico de ultrasonidos trayectoria de los haces elemento analizado cable barrera acústica 21

22 22 elocidad de Propagación de Ondas Sónicas Módulos Elásticos Dinámicos S P S P S din E S P S P din

23 elocidad de Propagación de Ondas Sónicas en Rocas Litología P (m/s) Litología P (m/s) Arenisca Gneiss Basalto Granito (sano) Caliza Lutita Conglomerado Marga Cuarcita Mármol Diabasa Pizarra Dolerita Sal Dolomía Yeso Gabro elocidades Teóricas de Propagación Litología * P (m/s) Gabro 7000 Basalto Caliza Dolomía Arenisca y Cuarcita 6000 Rocas graníticas C i * P i P, i Fourmaintraux (1976) Mineral P (m/s) Cuarzo 6050 Olivino 8400 Augita 7200 Anfíbol 7200 Moscovita 5800 Ortosa 5800 Plagioclasa 6250 Calcita 6600 Dolomita 7500 Magnetita 7400 Yeso 5200 Epidota 7450 Pirita

24 Índice de Calidad IQ P IQ(%) x100 * P Dureza Es un parámetro importante relacionado con el poder abrasivo de las rocas. 24

25 Dureza Existen muchas formas de determinar la dureza de los materiales: Knoop (indentación o punzonamiento estático) Rockwell (indentación o punzonamiento estático) ickers (indentación o punzonamiento estático) Brinell (indentación o punzonamiento estático) Mohs (raya) Rosiwal (pulido) Chorro de arena (erosión) Shore (rebote dinámico) Schmidt (rebote dinámico) Dureza ickers La dureza ickers (H) se define como... H F A gm ( MPa) 2 d donde: M = masa aplicada sobre el indentador (en g) g = constante gravitacional (9.81 m/s 2 ) d = diámetro de la indentación permanente (m) El número de dureza ickers se expresa en kg/mm 2 25

26 Dureza Mohs de Minerales y Rocas Mineral/Roca Dureza Mohs Mineral/Roca Dureza Mohs Diamante 10.0 Caliza 3.3 Cuarzo 7.0 Esquisto Pizarra 3.1 Basalto 7.0 Calcita 3.0 Chert 6.5 Antracita 3.0 Feldespato 6.2 Mármol 3.0 Gneiss 5.2 Pizarra bituminosa 2.5 Esquisto 5.0 Mica 2.3 Magnetita 4.2 Yeso 2.0 Arenisca 3.8 Talco 1.0 Dolomita 3.7 Dureza Mohs de Rocas 26

27 Dureza en Función de T Dureza Knoop (kg/mm 2 ) Temperatura (ºC) Ensayo de Penetración por Punzonamiento Punch Penetration Test e indentador cónico del NCB I S P S I S P S C I S P S = penetración del punzón en la roca (mm) C 0 = resistencia a compresión simple Desarrollado por el National British Coal Board para estimar la resistencia de rocas susceptibles de ser excavadas por equipos de obra. No es adecuado para rocas muy duras o abrasivas (p. Ej. calizas, granitos,...) El tamaño de la probeta es 25x25x6 mm 27

28 Resistencia al Impacto (Rock Toughness Index) ASTM D3 (resistencia al impacto) Se deja caer un martillo percutor de 2 kg de masa desde una altura de 1 cm sobre una probeta lisa de roca (25 mm espesor y mm ) Se incrementa progresivamente la altura del martillo (en etapas de 1 cm) hasta que la roca se rompe: Índice de tenacidad de la roca Abrasividad Es un parámetro índice importante desde el punto de vista del desgaste de los elementos de corte y perforación. 28

29 Ensayos para Rocas Índice de abrasividad Cerchar (CAI) Ensayo de abrasión Taber Ensayo de Shimazek Coeficiente de desgaste, F Índice de Abrasividad Cerchar 7 kg CAI: Cerchar Abrasivity Index 90º CLI: cutter Life Index CAI d i i1 CLI( m) 2.06x10 CAI 2 29

30 Índice de Abrasividad Cerchar Índice de Abrasividad Cerchar Clasificación CAI Tipo de Roca Extremadamente abrasiva > 4.5 Gneiss, pegmatita, granito Muy abrasiva Anfibolita, granito Abrasiva Granito, gneiss, esquistos, piroxenita, arenisca Moderadamente abrasiva Arenisca Abrasividad media Gneiss, granito, dolerita Poco abrasiva Arenisca Muy poco abrasiva < 1.2 caliza 30

31 Índice de Abrasividad Cerchar Litología Procedencia CAI Litología Procedencia CAI Pizarra Nueva York, USA 0.9 Granito Suecia 4.0 Pizarra Ohio, USA 1.1 Diorita Carolina del Norte, USA 4.1 Caliza Illinois, USA 1.1 Gneiss Georgia, USA 4.1 Arenisca Berea, Ohio, USA 1.2 Cuarzo-gneiss Georgia, USA 4.3 Caliza Indiana, USA 1.3 Cuarcita África oriental 4.3 Filita Noruega 1.3 Gneiss Noruega 4.4 Micaesquisto Washington, USA 2.2 Arenisca Kentucky, USA 4.7 Andesita Arizona, USA 2.3 Cuarzo-gneiss Noruega 4.8 Cuarzodiorita Noruega 3.2 Granito- Gneiss Noruega 4.8 Arenisca roja Kentucky, USA 3.6 Micaesquisto Nueva York, USA 5.3 Anfibolita Norueka 3.6 Cuarcita Noruega 5.9 Gabro Noruega 3.7 Granodiorita Carolina del Norte, USA 3.9 Ensayo de Abrasión Taber ASTM C

32 Coeficiente de Desgaste, F F Q equiv m 100 Indicador del poder abrasivo de las rocas que contienen cuarzo Coeficiente de desgaste, F Rozabilidad (kgf/cm) Calificación m 3 /h Muy buena Buena Moderada Regular Mala Muy mala 6 10 Ensayo de Hinchamiento ISRM (1972) 32