Norma ASTM D-3148

ASTM D-3148

1. Alcance 1.1 Este método de prueba cubre la determinación de elasticidad módulos de especímenes de testigos de roca intactos en compresión uniaxial. Especifica el aparato, la instrumentación y los procedimientos para determinando la tensión-tensión axial y la tensión-tensión lateral curvas, así como el módulo de Young, E, y la relación de Poisson, n. NOTA 1-Este método de prueba no incluye los procedimientos necesarios para obtener una curva de tensión-deformación más allá de la fuerza máxima.

1.2 Para un material isotrópico, la relación e ntre el cortante y los módulos a granel y el módulo de Young y la relación de Poisson son:

= =

 2(1 + )  3(1 − 2)

dónde: G = módulo de corte, K = módulo de volumen, E = módulo de Young, y n = proporción de Poisson. La aplicabilidad de ingeniería de estas ecuaciones se reduce si la roca es anisotrópica Cuando sea posible, es deseable realizar pruebas en el plano de foliación, ropa de cama, etc., y a la de recha ángulos para determinar el grado de anisotropía. Se observa que las ecuaciones desarrolladas para materiales isotrópicos pueden dar solo resultados calculados aproximados si la diferencia en elástico módulos en dos direcciones es mayor que 10% para un dado Nivel de estrés. NOTA 2: los módulos elásticos medidos por métodos sónicos a menudo pueden ser empleado como medidas preliminares de anisotropía.

1.3 El método de prueba dado para determinar la constante elástica no se aplica a las rocas sometidas a cepas inelásticas durante la prueba, como el potasio y la sal. Los módulos elásticos para tales rocas deberían determinarse a partir de ciclos de descargarecarga, que no están cubiertos por este método de prueba. 1.4 Esta norma no pretende abordar t odas las preocupaciones de seguridad, si las hay, asociadas con su uso. Es responsabilidad del usuario de este estándar establecer prácticas de seguridad y salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones regulatorias antes del uso.

2. Documentos referenciados 2.1 Normas ASTM: D 653 Terminología relacionada con el conte nido de suelo, roca y fluidos. D 2216 Método de prueba para la determinación de agua en laboratorio (Humedad) contenido de suelo y roca D 3740 Práctica para requisitos mínimos para agencias comprometido en la prueba y / o inspección de suelo y roca. Utilizado en Diseño de Ingeniería y Construcción D 4543 Práctica para preparar muestras de testigos de roca y determinación de tolerancias dimensionales y de forma E 4 Prácticas para la verificación de carga de máquinas de prueba E 691 Práctica para realizar un estudio inter-laboratorio para determinar la precisión de un método de prueba 3. Terminología 3.1 Definiciones: ver Terminología D 653 para definiciones generales. 3.2 Definiciones de términos específicos a este estándar: 3.2.1 módulo a granel, K [FL-2] -peso de tensión normal dividido por el cambio en el volumen por volumen original. 3.2.2 módulo de corte, G [FL-2] -radio de la tensión de corte a la tensión de corte correspondiente por debajo del límite proporcional. 4. Resumen del método de prueba 4.1 Una muestra de núcleo de roca se corta a la longitud, y los extremos son de plano mecanizado. La muestra se coloca en un marco de carga y, si es necesario, calentar a la temperatura de prueba deseada. La c arga axial es aumentada continuamente en la muestra, y la deformación es monitoreada como una función de carga. 5. Significado y uso 5.1 Las constantes elásticas se utilizan para calcular el estrés y deformación en estructuras rocosas. 5.2 Las propiedades de deformación y resistencia de los núcleos de roca medidos en el laboratorio generalmente no reflejan con exac titud las propiedades in situ a gran escala, porque estas últimas son fuertemente influenciado por articulaciones, fallas, inhomogeneidades, planos de debilidad, y otros factores. Por lo tanto, los valores de laboratorio para las muestras intactas deben ser em pleadas con el juicio adecuado en las aplicaciones de ingeniería.

NOTA 3-La calidad del resultado producido por este estándar depende de la competencia del  personal que la realiza, y la idoneidad del equipo y las instalaciones utilizadas. Agencias que cumplen con los criterios de la práctica D 3740 generalmente se consideran capaces de realizar una  prueba objetiva / muestreo / inspección / y similares. Usuarios de esta prueba estándar se advierte que el cumplimiento con la práctica D 3740 no en sí mismo asegura resultados confiables. Los resultados confiables dependen de muchos factores; La práctica D 3740 proporciona un medio para evaluar algunos de esos factores.

6. Aparato 6.1 Dispositivo de carga: el dispositivo de carga debe tener la suficiente capacidad para aplicar carga a una velocidad conforme a los requisitos especificados en 10.5. Se verificará en el momento adecuado los intervalos de tiempo de acuerdo con los procedimientos dados en la Práctica E 4 y cumplir con los requisitos prescritos en esto. El dispositivo de carga puede estar equipado con un traductor de desplazamiento que se puede utilizar para avanzar el carnero de carga a una velocidad especifica. 6.2 Recinto de temperatura elevada: la temperatura elevada en el gabinete puede se r un gabinete que se ajuste al aparato de carga o un sistema externo que abarca el aparato de prueba. El recinto puede estar e quipado con control de humedad para probar muestras en las que el contenido de humedad deba ser controlado. Para altas temperaturas, un sistema de calentadores, aislantes y dispositivos de medición de temperatura son normalmente requeridos para mantener la temperatura especifica. La temperatura se medirá en tres ubicaciones, con un sensor cerca de la cima, uno a media altura, y uno cerca de la parte inferior de la muestra. La temperatura promedio de la muestra basada en el sensor de altura media se mantendrá dentro de los 61 °C de temperatura de prueba requerida. La diferencia de temperatura máx ima entre el sensor de altura media y cualquiera de los sensores extremos no exceda los 3 ° C. NOTA 4: una alternativa para medir la temperatura en tres ubicaciones a lo largo de la muestra durante la  prueba es determinar la distribución de la temperatura en una muestra ficticia que tiene sensores de temperatura ubicados en un mínimo de seis posiciones: a lo largo de la línea central y de la periferia del espécimen, a la mitad de la altura y en cada extremo del espécimen. Los puntos de ajuste del controlador de temperatura deben ajustarse para obtener un estado estacionario de las temperaturas en la muestra ficticia que cumple con los requisitos de cada temperatura de prueba (la temperatura de la línea central a la mitad de la altura) estará dentro de los 61 ° C de la temperatura de prueba requerida, y todas las demás temperaturas del espécimen no se apartarán de esta temperatura por más de 3 °C). La relación entre el  punto de ajuste del controlador y el maniquí de la temperatura del espécimen se puede usar para determinar la temperatura del espécimen durante la prueba siempre que la salida del sensor de retroalimentación de temperatura (u otro sensor de temperatura de ubicación fija en el aparato triaxial) es mantenido constante dentro de 61 °C de la temperatura de prueba r equerida. La relación entre el punto de ajuste del controlador de temperatura y el estado estacionario de la temperatura del espécimen se verificará periódicamente. El espécimen falso se usa únicamente para determinar la distribución de temperatura en una muestra en el aparato triaxial; no debe usarse para determinar constantes elásticas.

6.3 Dispositivo de medición de temperatura -límites especiales- de error termopares o termómetros de resistencia de platino (RTD) con precisiones de al menos 61 °C con una resolución de 0.1 ° C.

6.4 Platinas: se usan dos placas de acero para transmitir la carga axial a los extremos de la muestra. Tendrán una dureza de no menos de 58 HRC. Uno de los platos debe ser esférico sentado y el otro es un plato rígido simple. Las caras del cojinete no se apartarán de un plano en más de 0,015 mm cuando los platos son nuevos y se mantendrán dentro de una variación de 0.025 mm. El diámetro del asiento esfé rico deberá ser al menos tan grande como la de la muestra de prueba, pero no debe exceder el doble del diámetro de la muestra de prueba. El centro de la esfera en el asiento esférico coincidirá con la cara de la muestra. El asiento esférico será debidamente lubricado para garantizar la libertad de movimiento. La parte movible de la placa se mantendrá apretada en el asiento esférico, pero el diseño debe ser tal que la cara del rodamiento se pueda girar e inclinar a través de pequeños ángulos en cualquier dirección. Si es esférico el asiento no se utiliza, las caras de los rodamientos de los platos serán paralelos a 0.0005 mm de diámetro del rodillo. El diámetro del plato será al menos tan grande como el espécimen, pero no excede el diámetro de la muestra en más de 1.50 mm. Este diámetro de la placa se mantendrá durante un período de al menos la mitad del diámetro de la muestra. 6.5 Dispositivos de medición de deformación. El sistema de medición de la deformación medirá la tensión con una resolución de al me nos 25x10-6 y una precisión dentro del 2 % del valor de las lecturas por encima de 250x10-6 y precisión y resolución dentro de 5 x10 -6 para lecturas inferiores a 250x10-6, incluidos los errores introducidos por la excitación y equipo de lectura. El sistema debe estar libre de inestabilidad a largo plazo no caracterizable (deriva) que resulta en una tensión aparente de 10-8 / s. NOTA 5: se advierte al usuario sobre la influencia de la temperatura en la salida de los sensores de deformación y deformación ubicados dentro del calentador ambiente .

6.5.1 Determinación de la deformación axial: las deformaciones axiales o tensiones se pueden determinar a partir de los datos obtenidos por electricidad de tensión de resistencia, compresómetros, diferencial de variable lineal, transformadores (LVDT) u otros medios adecuados. El diseño del dispositivo de medición debe ser tal que se pueda determinar el promedio de al menos dos mediciones de deformación axial. Las posiciones de medición se deben espaciar equitativamente alrededor de la circunferencia de la muestra cerca de la mitad de la altura. La longitud de banda sobre la que se determinan las deformaciones axiales debe ser de al menos 10 diámetros de grano de magnitud. 6.5.2 Determinación de deformación lateral: las deformaciones o deformaciones laterales se pueden medir mediante cualquiera de los métodos mencionados en 6.5.1. Se pueden medir deformaciones circunferenciales o diametrales (o cepas). Se puede usar un solo transductor que se enrolla alrededor de la muestra para medir el cambio en la circunferencia. Al menos dos sensores de deformación diametral se usarán si se miden las deformaciones diametrales. Estos sensores estarán equiespaciados alrededor de la circunferencia de la muestra, cerca de la mitad de la altura. Se registrará la deformación promedio (o tensión) de los sensores diametrales. NOTA 6: no se permite e l uso de adhesivos de deformación

que requieran temperaturas de curado superiores a 65 °C a menos que se sepa que las microfracturas no se desarrollan a la temperatura de curado. 7. Precauciones de seguridad 7.1 Muchos tipos de rocas fallan de manera violenta cuando se cargan a falla en la compresión. Se debe colocar un escudo prote ctor alrededor de la muestra de prueba para evitar lesiones con fragmentos la roca voladora. Las temperaturas elevadas aumentan los riesgos de corto circuito y fuego. 8. Muestreo 8.1 El espécimen se seleccionará de los núcleos para representar un promedio válido del tipo de roca en consideración. Esto se puede lograr mediante observaciones visuales de componentes minerales, tamaños y forma de grano, separaciones y defectos tales como poros y fisuras, o por otros métodos, como el ultrasonido de mediciones de velocidad. 9. Especímenes de prueba 9.1 Preparación: preparar las muestras de prueba de acuerdo con la práctica D 4543. 9.2 Condición de humedad de la muestra en e l momento de la prueba puede tener un efecto significativo sobre la deformación de la roca. La buena práctica generalmente dicta que se realicen pruebas de laboratorio sobre muestras representativas de las condiciones del campo. Por lo tanto, sigue que el estado de humedad del campo de la muestra debe conservarse hasta el momento de la prueba. Por otra parte, puede haber razones para probar muestras con otro contenido de humedad que incluye cero. En cualquier caso, el contenido de humedad de la muestra de prueba se debe adaptar al problema en cuestión e informado de acuerdo con 12.1.3. Si el contenido de humedad de la muestra debe determinarse, siga los procedimientos dados en el Méto do de prueba D 2216. 9.3 Si el contenido de humedad debe mantenerse, y el elevado recinto de temperatura no está equipado con control de humedad, sellar la muestra con una membrana flexible o aplique un plástico o recubrimiento de goma de silicona en los lados de la muestra. 10. Procedimiento 10.1 Verifique la capacidad del asiento esférico para girar libremente en su zócalo antes de cada prueba. 10.2 Coloque la placa inferior sobre la base o la varilla del actuador del dispositivo de carga. Limpie las caras del cojinete de la parte superior y las platinas inferiores y de la muestra de prueba, y coloque la prueba muestra en el plato inferior. Coloque la placa superior en el espécimen y alinear correctamente. Una pequeña carga axial, aproximadamente 100 N, se puede aplicar a la muestra mediante la carga de l dispositivo para asentar correctamente las piezas de soporte del aparato. 10.3 Cuando sea apropiado, instale el recinto de temperatura elevada y tranductores de deformación para el aparato y los sensore s usados.

10.4 Si se prueba a temperatura elevada, aumente la temperatura a una velocidad no superior a 2 ° C / min hasta que la temperatura requerida se alcance (Nota 7). El espécimen de prueba se considerará e n equilibrio de temperatura cuando todas las deformaciones de las salidas del transductor son estables durante al me nos tres lecturas tomadas a intervalos iguales durante un período de no menos de 30 minutos (3 minutos para pruebas realizadas a temperatura ambiente). La estabilidad se define como una lectura constante que muestra solo los e fectos del instrumento normal y fluctuaciones de la unidad del calentador. Registre la deformación inicial. Considere que este es el cero para la prueba. 10.5 Aplicar la carga axial de forma continua y sin golpes hasta que la carga se vuelva constante, se reduzca, o un valor predeterminado la cantidad de tensión se logra. Aplica la carga de tal manera para producir una tasa de esfuerzo o una tasa de deformación tan constante como factible durante toda la prueba. No permita la tasa de estrés o tasa de deformación en un momento dado para desviarse en más del 10 % del valor que seleccionó. La tasa de esfuerzo o tasa de deformación seleccionada debe ser lo que producirá el fracaso de una muestra de prueba similar en compresión no definida en un tiempo de prueba entre 2 y 15 min. La tasa de esfuerzo o tasa de deformación seleccionada para un tipo de roca dado deberá adherirse a todas las pruebas en una serie dada de investigación (Nota 8). Observe y registre las lecturas de deformación en un mínimo de 10 niveles de carga que están espaciados uniformemente sobre la distancia de carga. Se permite el registro continuo de datos, siempre que el sistema de grabación cumple con los requisitos de precisión y precisión de 6.5. 11. Cálculo 11.1 La tensión axial, Єa , y la tensión lateral, Єl , tal vez obtenido directamente del e quipo indicador de deformación, o puede ser calculado a partir de las lecturas de deformación, dependiendo del tipo de aparatos o instrumentación empleados. 11.1.1 Calcular la tensión axial, Єa , de la siguiente manera:

Є =

∆ 

dónde: L = longitud axial sin deformar original, y

∆L = cambio en la longitud axial medida (negativo para un disminución en la longitud). 11.1.2 Calcular la tensión lateral, Єl, como sigue:

Є = dónde: D = diámetro original no deformado, y

∆ 

∆D = cambio en el diámetro (positivo para aumentar el diámetro). 11.2 Calcule el esfuerzo de compresión en la muestra de prueba de la carga de compresión en la muestra y el área inicial de sección transversal calculada de la siguiente manera:

=

  

dónde: s = estrés, P = carga, y A = área. 11.3 Trace la curva de tensión contra deformación para el eje y dirección lateral (Fig. 1). La curva completa da la mejor descripción del comportamiento de deformación de las rocas que tienen relaciones no lineales de te nsión y tensión a bajos y altos niveles de estrés.

11.4 El módulo de Young axial, E, puede calc ularse usando cualquiera de varios métodos empleados en la práctica de ingeniería. Los métodos más comunes, descritos en la Fig. 2, son los siguientes: 11.4.1 Módulo tangente a un nivel de estrés que es algo fijo porcentaje (generalmente 50%) de la fuerza máxima. 11.4.2 Pendiente promedio de la porción más o menos recta de la curva de tensióndeformación La pendiente promedio puede ser calculada ya sea dividiendo el cambio en el estrés por el cambio en tensión o al hacer un ajuste lineal de mínimos cuadrados a datos de tensión-deformación en la porción de línea recta de la curva. 11.4.3 Módulo de secante, por lo general de cero estrés a algún porcentaje fijo de la fuerza máxima. 11.5 El valor de la relación de Poisson, n, se ve muy afectado por linealidades a bajos niveles de estrés en el axial y lateral, curvas de tensión-deformación. Se sugiere que la relación de Poisson sea calculada a partir de la ecuación:

=−

         

=−

     

dónde la pendiente de la curva lateral se determina de la misma manera como se hizo en 11.4 para el módulo de Young, E.

12. Informe 12.1 El informe incluirá lo siguiente: 12.1.1 Fuente de la muestra, incluido el nombre y la ubicación del proyecto (a menudo la ubicación se especifica en términos del agujero de perforación, número y profundidad de la muestra desde el c uello del agujero). 12.1.2 Descripción litológica de la roca, nombre de la formación, y dirección de la carga con respecto a la litología. 12.1.3 Condición de humedad de la muestra antes de la prueba. 12.1.4 Diámetro y altura de la m uestra, conformidad con requisitos dimensionales. 12.1.5 Temperatura a la que se realizó la prueba. 12.1.6 Velocidad de carga o tasa de deformación.

12.1.7 Representación gráfica de las curvas de tensión frente a deformación (figura 1). 12.1.8 Módulo de Young, E, método de determinación como está dado en la Fig. 2, y en qué nivel de estrés o niveles determinados. 12.1.9 Proporción de Poisson, n, método de determinación en 11 .5, y a qué nivel de estrés o niveles determinados. 12.1.10 Una descripción de la apariencia física del espécimen después de la prueba, incluidos los efectos finales visibles como el agrietamiento, descascarado o cizallamiento en las interfaces del espécimen platinado. 12.1.11 Si el equipo o procedimiento real ha variado de los requisitos contenidos en este método de prueba, cada variación y las razones para ello serán discutidas.