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MECANICA DE ROCAS CARGA PUNTUAL

Sandi Vanesa Acuña Gutierrez Miguel Ángel vega Pianneta

juan miguel ortega Pérez Ingeniero

Ingeniería de minas Fundación universitaria del área andina Facultada de ingeniería

Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN.................................................................................................. 1 OBJETIVOS........................................................................................................ 3 FUNDAMENTO TEORICO..................................................................................... 4 GENERALIDADES........................................................................................... 4 PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO CON CARGA PUNTUAL.................................6 DATOS Y CÁLCULOS............................................................................................ 8

CORRECCION ……………………………………………………………...……..….9 CONCLUSIONES………………………………………………...…………………….. 14 ANEXOS………………………………………………………………………..……15

INTRODUCCIÓN En la mecánica de rocas es muy importante hallar ciertos parámetros de la roca, como la porosidad, densidad, absorción y peso específico aparente. Pero también es necesario hallar

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la resistencia de la roca, y esto podemos lograrlo con ensayos los cuales podemos encontrar, ensayos de compresión uniáxica, ensayos de carga puntual, ensayo de rebote con el martillo de SCHMIDT, ensayo de Tracción, ensayo de compresión triaxial, ensayos de constantes elásticas, ensayo de corte directo; ya que estos datos necesitamos saberlo, porque el ISRM no exige. Algunas veces no se dispone de material para preparar probetas adecuadas para los ensayos de compresión simple. También puede suceder que el número de ensayos que haya que realizar sea grande y que éstos tengan que llevarse a cabo “in situ”. En ambos casos, el ensayo de carga puntual puede sustituir al de la compresión simple. Con el equipo de carga puntual se hace los ensayos en lo cual consiste en romper un trozo de roca entre dos puntas cónicas de acero endurecido.

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OBJETIVOS 

Dar a conocer que este equipo de carga puntual podemos determinar el Índice de Resistencia (Is) en testigos de roca que requieren de poca preparación y que pueden



tener formas regulares o irregulares. Así mismo en seguidamente deducir las propiedades mecánicas de la roca sometidas

 

a compresión a partir de ensayos de carga puntual. Determinar la resistencia a la compresión uniáxica de la roca intacta. Determinar el índice de resistencia a la carga puntual (compresión franklin y tracción Louis).

FUNDAMENTO TEORICO GENERALIDADES

Con la ayuda del equipo de carga puntual podemos realizar ensayos donde 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

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diámetro de la muestra. El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas metálicas accionadas por una prensa. Las ventajas de este ensayo son que se pueden usar muestras de roca irregulares sin preparación previa alguna y que la maquina es portátil. 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).

FÓRMULA MATEMÁTICAS: 

Is = P/D² Donde:

Is = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm²). P = Carga última de rotura (Kg). D = Diámetro de la probeta (cm). Estimación de la “dc”, en relación a la Carga Puntual. 

dc = (14 + 0.175 D) Is Donde: dc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²). D = Diámetro de la probeta en mm.

EQUIPO DE CARGA PUNTUAL

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SECCION

PARTE

A1

Puntales

A2

Bomba manual

A3

Carga de compresión celular

A4

Escala graduada

A5

Válvula de liberación

A6

Estanque de aceite

A7 A8 A9

Ajustador de seguridad Fijación de engranajes Base de madera

A10 A11 A12

Caja de transporte Plato inferior Plato superior

INDICACION Bloquean roca para prueba Da la potencia y funciona con el aceite hidráulico. Permite determinar la máxima carga para romper la roca e indica la información. Muestra la distancia entre las puntas e indica la medida de la roca. Abre o se cierra el sistema de bomba hidráulica. Reemplazo de aceite para bomba hidráulica. Puede se usado como base en terreno para la maquina. Transporte

PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO CON CARGA PUNTUAL 1. Concebir una idea general de la roca en cuanto a su litología y estructuras. 2. Identificar las muestras. 3. Medir las dimensiones de la muestra. 4. Dependiendo del tipo de muestra (ver figura 1), 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. 5. 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 dañen a personas u objetos de alrededor. 6. Una persona se encarga de medir la presión a la cual esta siendo sometida la muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica. 7. Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa hidráulica. 8. Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura 5

(Figura 2). Figura 2: Modos típicos de falla para muestras validas e invalidas

Figura

1:

Configuración de carga y requerimientos en la forma de los testigos (a) muestra diametral. (b) muestra axial. (c) bloque. (d) muestra irregular. L = largo. W = ancho. D = diámetro. De = diámetro del núcleo equivalente.

DATOS Y CÁLCULOS

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

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Is = P/De2 Donde: 

(MPa)

P = carga de falla, N, (Debido a que la presión se realiza a través de puntas cónicas, es necesario realizar una corrección, la cual es: P = valor medido en la maquina *



14.426 cm2) De = diámetro del núcleo equivalente = D para muestras diametrales (ver figura 1), m, y es dada por:  De2 = D2 para muestra diametrales, mm2, o  De2=4A/π para muestras irregulares, axiales o bloques, mm 2; Donde: A= WD= área de la sección transversal mínima (ver figura 1)

La clasificación de las rocas según su resistencia a compression uniaxial, propuesta por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (Brown, 1981), es la siguiente: Resistencia (MPa) >250 100-250 50-100 25-50 5-25 1-5 0,25-1

Clasificación Extremadamente alta Muy Alta Alta Media Baja Muy Baja Extremadamente Baja

CORRECCIONES



Is varía como una función de D en el ensayo diametral y como una función de De en el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debe aplicar una corrección para obtener un valor único de esfuerzo de carga puntual para una muestra de roca. y para que este valor pueda ser usado para propósitos de



clasificación de la roca. El valor de esfuerzo de carga puntual corregido Is

(50)

de un testigo o muestra de

roca está definido como el valor Is medido en un ensayo diametral con diámetro D= 50mm.

7



El método más efectivo de obtener Is

(50)

es ejecutar ensayos diametrales muy cerca

de D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introducirá un mínimo de error (p.e. en el caso de ensayos diametrales de testigos cilíndricos NX con D=54mm, la corrección no es necesaria). Sin embargo no todos los ensayos de carga puntual son ejecutados con estos testigos por lo que la siguiente corrección debe ser aplicada: Is (50) = F x Is Donde el factor F es la siguiente expresión: F = (De/50)0.45 

Para testigos con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error será introducido si se usa la expresión: F = (De/50)0.5



Los resultados finales Is (50) serán calculados eliminando los dos valores más altos y los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos y calculando el promedio con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueran pocos solo se eliminará el mayor y el menor y se calculará el promedio con los restantes. - Los resultados de los ensayos diametrales, axiales, de bloques y pedazos irregulares



deben ser calculados separadamente. A partir del índice de carga puntual corregido Is

(50)

se puede utilizar la fórmula de

E. Broch y J. A. Franklin(1972) para estimar la resistencia a la compresión no confinada: 

σc = 24 Is (50) Asimismo Brock(1993) ha propuesto también una relación entra la resistencia de tracción T0 y el índice de carga puntual Is (50): T0 = 1,5 Is (50)

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Según esto la relación media entre las resistencias a compresión y tracción de las rocas seria de 16. En este ensayo la rotura de la roca se produce entre las dos puntas del aparato. Cuando las rocas son muy anisótropas, es decir, cuando contiene numerosas superficies de debilidad, la orientación de éstas con respecto al plano de rotura es muy importante. Para conseguir que los resultados de los ensayos realizados con un mismo tipo de roca sean comparables, es necesario que las discontinuidades se encuentren siempre en una misma posición respecto al eje que une las dos puntas del aparato.

Los resultados obtenidos luego de romper cada muestra se observan a continuación, para calcular el “Is” promedio se eliminaron el valor más alto y más bajo. Muestra N°1 W = 7,3 D = 5,8 L = 11,4 P = 4,73KN 2 A=7.3∗5.8=42,34 cm 4∗42,34 De= =7,34 cm π 0,45 7,34 F= =0,421 50 Ls = 4,73 / 7,34x10^ [-4] = 6479,45PA= 6,47945x10^ [-3]MPA Ls (50) =0,421*6,47945x10^ [-3] =2,727x10^[-3^] TC= 2,727x10^[-3^] *23 =0,062721 Muestra N° 2

√

( )

W = 6,5 D = 5,7 L = 12,4 P = 9,37KN A=6.5∗5.7=37,05 cm 2 4∗7,8 De= =3,151 cm π

√

9

0,45

6,86 F= =0,409 50 Ls = 9,37 / 6,86x10^ [-4] = 13658,89PA= 0,01365889MPA Ls (50) =0,409*0,01365889=5,586x10^[-3^] TC=5,586x10^[-3^]*23=0,128478 Muestra N°3 W = 6,9 D=5 L=9 P = 12,52KN A=6.9∗5=34,5 cm2 4∗13, 57 De= =4,159 cm π 6,62 0,45 F= =0,402 50 Ls = 12,25/ 6,62x10^ [-4] = 18912,38PA= 0,01891238MPA Ls (50) =0,402*0,01891238=7,602x10^[-3^] TC=7,602x10^[-3^]*23=0,1748

( )

√

( )

Muestra N° 4 W = 8,6 D = 6,8 L = 9,4 P = 13,84KN 2 A=8.6∗6.8=58,48 cm 4∗19,38 De= =4,967 cm π 0,45 8,62 F= =0,453 50 Ls = 13,84 / 8,62x10^ [-4] = 16055,68PA= 0,01605568 MPA Ls (50) =0,385*0,01605568=6,181x10^[-3^] TC=6,181x10^[-3^]*23=0,142163

√

( )

Muestra N° 5 W = 7,5 D = 3,8 L = 8,5 P = 3,13KN A=7.5∗3.8=28,5 cm 2 4∗23,6 De= =5,481 cm π

√

10

6,02 F= 50

0,45

( )

=0,385

Ls = 3,13 / 6,02x10^ [-4] =5199,33 PA=5,19933X10^[-3] MPA Ls (50) =0,385*5,19933X10^[-3]=2,001x10^[-3^] TC=2,001x10^[-3^] *23=0,04602

CONCLUSIONES



Con el aparato de carga puntual podremos realizar ensayos que nos ayudara determinar propiedades mecánicas. Como por ejemplo predecir el esfuerzo de



compression uniaxial. El volumen de la probeta es un factor muy importante para determinar la resistencia de la roca.

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ANEXO

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