Resistencia y Rugosidad

“Año del Buen Servicio Al Ciudadano”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

DETERMINACION DE RESISTENCIA DE ROCA Y RUGOSIDAD DE DISCONTINUIDADES

INTEGRANTES:

 Ascencio Sangay, Sangay, Manuel Fernando Chavez Soto, Jhonatan Emerson López Ramírez, Aarón Ulises

DOCENTE: Ing. Filadelfio Cruzado Mejia

CURSO: GEOMECANICA

GRUPO: N° 04

Cajamarca, Mayo 2017

1. INTRODUCCIÓN La descripción de rocas con fines ingenieriles, requiere seleccionar propiedades básicas y obtener parámetros que nos permitan permitan reconocer las características de los macizos rocosos o discontinuidades donde vamos a realizar algún tipo de trabajo. Estos parámetros pueden ser obtenidos mediante ensayos de campo o de laboratorio, sobre muestras o probetas de roca matriz (roca intacta). Para estimar la resistencia de los macizos rocosos , caracterizados por la existencia de las discontinuidades geológicas , es necesario conocer las propiedades mecánicas de las rocas , las características de discontinuidades ,el estado y comportamiento mecánico –estructural del macizo rocoso. Si hablamos de la aplicación del Peine de Barton se viene la idea de que para el estudio de las discontinuidades en el interior de la masa rocosa ya que ahí el macizo presenta una resistencia al corte y a la comprensión menores.

2. INDICE

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 2

2.

INDICE ................................................................................................................................. 3

3.

OBJETIVOS ........................................................................................................................ 4

4.

MACIZOS ROCOSOS: ...................................................................................................... 5 4.1.

PARÁMETROS DEL MACIZO ROCOSO: ............................................................. 5

4.2.

PROPIEDADES MECÁNICAS: ................................................................................ 5 LA RESISTENCIA: ............................................................................................. 5

4.2.1.

4.2.1.1.

 A)

EN CAMPO: ................................................................................................ 7 PRUEBAS:  ....................................................................................................... 7

a) ÍNDICES INDIRECTOS O ÍNDICES DE CAMPO :  ................................... 7 B)

ENSAYOS SENCILLOS: ............................................................................... 7

a) ENSAYO CON EL ESCLERÓMETRO MARTILLO SCHMIDT:  .............. 7 a.1. TIPO DE MARTILLO: ................................................................................. 8 a.2. PASOS PARA EL USO DEL MARTILLO: ............................................... 9 b) ENSAYO DE CARGA PUNTUAL: ............................................................. 12 b.1. ENSAYO CON BLOQUES ...................................................................... 12 4.2.1.2.  A)

EN LABORATORIO ................................................................................. 14 COMPRESION UNIAXIAL .......................................................................... 14

a) PROCEDIMIENTO: ...................................................................................... 14 B)

COMPRESIÓN TRIAXIAL ........................................................................... 15

a) PROCEDIMIENTO ....................................................................................... 15 5.

DISCONTINUIDADES ..................................................................................................... 17 5.1. RUGOSIDAD ................................................................................................................. 17 5.1.1. TIPOS DE RUGOSIDADES: ............................................................................... 18 5.1.2. DETERMINARCIÓN DE LA RUGOSIDAD ....................................................... 18 5.1.2.1. PRIMER METODO: RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS  .............................. 18 5.1.2.2. SEGUNDO METODO: RUGOSIMETRO ................................................... 20 5.1.3. APLICACIÓN DEL VALOR DE LA RUGOSIDAD DE LOS PERFILES:  ....... 22 5.1.4. PEINE DE BARTON ............................................................................................. 22

6.

CONCLUSIONES: ............................................................................................................ 24

3. OBJETIVOS



PRINCIPAL: - Determinación de la resistencia a la compresión simple de un macizo rocoso. - Determinación de Rugosidad de Discontinuidades



Específicos - Aplicación de diversos ensayos realizados en campo y laboratorio para determinar la resistencia a la compresión Simple. - Reconocimiento y uso del martillo Schmidt para la determinación directa de la resistencia de compresión simple. - Encontrar diversas formas de determinar la Rugosidad de las Discontinuidades

4. MACIZOS ROCOSOS: El macizo rocoso es el conjunto de los bloques de matriz rocosa y de discontinuidades. Mecánicamente son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos, por lo que su clasificación es fundamental en la ingeniería geológica. 4.1. PARÁMETROS

DEL MACIZO ROCOSO:

En la descripción del macizo rocoso se toman datos cualitativos y si es posible cuantitativos. Por ello, los métodos de caracterización tienden normalmente a obtener valores numéricos. En este sentido, existen tablas donde se establecen clases (escalas con valores de referencia, criterios) que permiten cuantificar dichas características y obtener parámetros. Dichos parámetros son necesarios en la clasificación geomecánica de los macizos rocosos. Estos parámetros son : 

Número de familias de discontinuidades



Tamaño de bloque.



Intensidad de fracturación

 Meteorización



 Resistencia



4.2. PROPIEDADES MECÁNICAS:

Parámetros que permiten caracterizar y clasificar la roca matriz: la resistencia (compresión simple), y el comportamiento frente a la deformación (módulo de Young, coeficiente de Poisson). 4.2.1.

LA RESISTENCIA: Determina la competencia de la roca matriz para mantener unidos sus y depende fundamentalmente de su composición mineral y del grado de alteración.

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL MACIZO ROCOSO SEGÚN EL GRADO DE TRABAZÓN DE LOS BLOQUES O TROZOS DE ROCA Y LA CONDICIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES

Para determinar la resistencia de la roca, tenemos diversas formas de hallar su resistencia, sea por cuadros o por cálculos :

4.2.1.1. EN CAMPO:

 A) PRUEBAS: a) ÍNDICES INDIRECTOS O ÍNDICES DE CAMPO : Valoraciones cualitativas que tabuladas permiten establecer una estimación cuantitativa del rango de resistencia en suelos cohesivos y rocas. Procedimiento 

Limpiar capa de alteración superficial



Hacer pruebas con navaja o martillo de geólogo



Clasificar la resistencia de la roca de acuerdo con la tabla:

B) ENSAYOS SENCILLOS: a) ENSAYO CON EL ESCLERÓMETRO MARTILLO SCHMIDT: Ensayo sencillo de campo o laboratorio, que permite estimar la resistencia a la compresión simple de la matriz rocosa y que también se aplica a las discontinuidades:

- EN ROCA MATRIZ: evitar bloques pequeños o con discontinuidades cercanas, - EN SUPERFICIES DE DISCONTINUIDAD: aplicar directamente en dicha superficie. El esclerómetro es un cilindro de unos 6 cm de diámetro, con la masa y el muelle en su interior, el vástago retráctil en uno de sus extremos y una escala en su superficie lateral.

Su uso es muy frecuente dada la manejabilidad del aparato, pudiendo aplicarse sobre roca matriz y sobre las discontinuidades (resistencia de los labios). -El ensayo consiste en medir la resistencia al rebote de la superficie de la roca ensayada.

a.1. TIPO DE MARTILLO:

En la práctica común se utilizan dos tipos de martillo, el tipo L con una energía de impacto de 0.735 N.m y el tipo N con una energía de impacto de 2.207 N.m. Los rebotes medidos con estos martillos se denotan con los símbolos RL y RN, respectivamente.

 Ambos martillos proporcionan buenos resultados para valores de compresión simple de la roca o la discontinuidad ensayada dentro del rango 20-150 Mpa. Previamente al año 2009, ISRM recomendaba únicamente el martillo de tipo L, en la actualidad los dos están permitidos. El martillo tipo N se usaba mayormente para concreto, sin embargo es poco sensible a las irregularidades de la superficie ensayado y es por lo tanto preferible para la realización de análisis de campo,

a.2. PASOS PARA EL USO DEL MARTILLO:

1. Posicionar el martillo perpendicularmente a la superficie de la roca ensayada. 2. Disparar el vástago o punzón de impacto [1] empujando el martillo hacia la superficie de ensayo hasta que el botón [6] salte hacia fuera 3. Pulsar el botón para bloquear el vástago de impacto después de cada impacto. 4. A continuación, leer y anotar el valor de rebote indicado por el puntero [4] en la escala [19].

Mediante el martillo de Schmidt, se puede estimar la resistencia a compresión simple de la roca a partir de la resistencia al rebote de la superficie de roca ensayada. Para esto la superficie deberá estar fresca y limpia. Sin ningún signo de alteración ni fracturas



Gráfico de correlación para el martillo de

Schmidt

entre

resistencia a comprensión, densidad de roca y rebote.

Normas: ISRM Doc Nº 5 1977, UNE-EN 12504-2:2002 

ISRM

recomienda tomar 20

lecturas

en

diferentes zonas.



ISRM (1978c) sugiere utilizar el promedio de las diez lecturas con valores más altos.



ISRM revisada sugiere no descartar ninguna lectura y presentar los valores obtenidos mediante histograma de frecuencias.

Con los valores obtenidos se puede clasificar la roca por su resistencia, según la ISRM

La siguiente tabla muestra valores típicos medidos en diferentes tipos de roca con un martillo Schmidt tipo L.

b) ENSAYO DE CARGA PUNTUAL: Ensayo sencillo de campo o laboratorio, a utilizar sobre fr agmentos de roca o testigos, no indicado en rocas blandas o anisótropas. •El ensayo consiste en aplicar una carga puntual a un trozo de roca

hasta la rotura, y obtener un índice (Is) mediante la expresión:  =

 2

Donde: Is : índice de Carga Puntual Franklin ( kg/cm 2 ) P = carga de rotura (Kg) D = diámetro de la muestra (cm) Ensayo de Esbeltez: 1=

 

Donde: L : Longitud de la probeta. D : Diámetro de la probeta.

b.1. ENSAYO CON BLOQUES  :

Se escogen bloques o trozos irregulares de roca con una dimensión media de aproximadamente 50 + - 35 mm, y con una relación entre D/W entre 0.3 y 1 preferiblemente 1, 0. El ensayo deber hacerse con al menos diez fragmentos por muestra

Modos típicos de falla para muestras validas e invalidas:

a) Muestras diametrales validas b) Muestras axiales validas c) Bloques validos d) Muestras invalidas

4.2.1.2. EN LABORATORIO

 A) COMPRESION UNIAXIAL Este ensayo permite determinar en el laboratorio la resistencia uniaxial no confinada de la roca Es un ensayo para la clasificación de la roca por su resistencia En este ensayo se deben cumplir las siguientes condiciones: o

Razón Largo/Ancho de la probeta debe ser 2.5 a 3.0:1

o

Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas.

o

Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamaño medio del grano.

El ensayo trata de la aplicación gradual de una fuerza axial a un cilindro de roca, hasta que se produce su rotura. a) PROCEDIMIENTO: 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 para validar si satisface las condiciones del ensayo. 4. Se recubre la muestra con una membrana cuyo fin será el de evitar que al momento de fallar la roca no salten fragmentos y dañen a personas u objetos de alrededor. 5. Se sitúa el testigo de tal forma que el pistón de la maquina quede paralelo a las caras transversales de la muestra. 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, la presión debe ser medida a cada instante ya que al momento de fallar, la aguja que indica el valor de la carga vuelve al punto de partida. 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.

B) COMPRESIÓN TRIAXIAL Este ensayo representa las condiciones de las rocas in situ sometidas a esfuerzos confinantes, mediante la aplicación de presión hidráulica uniforme alrededor de la probeta. Permite determinar la envolvente o línea de resistencia del material rocoso ensayado a partir de la que se obtienen los valores de sus parámetros resistentes cohesión (c) y  Angulo de fricción. En este ensayo se deben cumplir las siguientes condiciones: a) Razón Largo/ancho de la probeta debe ser 2.0 a 2.5:1 b) Extremos deben ser paralelos y pulidos, sin grietas. c) Ancho de muestra debe ser >10 veces el tamaño medio del grano. a) PROCEDIMIENTO 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 para validar si satisface las condiciones del ensayo. 4. Se recubre la muestra con una membrana impermeable cuyo fin será el de evitar el líquido usado para generar la presión de confinamiento no penetre en el testigo.

5. Se sitúa el testigo dentro de una cámara que será la encargada de mantener la muestra a una presión de confinamiento determinada, esta se encuentra conectada con prensa hidráulica manipulada por el encargado de laboratorio cuyo único fin es inyectar liquido hidráulico a la cámara y de esta forma fijar la presión de confinamiento. 6. Una persona se encarga de medir la presión a la cual está siendo sometida la muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica, la presión debe ser medida a cada instante ya que al momento de fallar, la aguja que indica el valor de la carga vuelve al punto de partida. 7. Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa hidráulica. 8. Una tercera persona en este caso el encargado del laboratorio se dedica a regular la presión confinante manteniéndola constante durante todo el ensayo, esta presión puede ser cualquiera sin embargo es recomendado ir aumentándola de forma progresiva dependiendo de la respuesta de la roca durante los ensayos. 9. Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura.

5. DISCONTINUIDADES 

Identificación: tipo de plano (estratificación: S0, esquistosidad: S1, juntas: J1, J2,, fallas: F1, F2,)



Características (para cada tipo o familia de discontinuidades): - Orientación: dirección y buzamiento (valores) - Espaciado: en mm (7 clases) - Continuidad según dirección y buzamiento: en m (5 clases) - RUGOSIDAD: establecer tipos y clases en cada tipo (3 x 3 clases) - Apertura, en mm (9 clases) - Relleno: o

Composición (8 tipos)

o

Espesor: en mm

o

Grado de meteorización (6 clases)

o

Filtraciones: discontinuidades con o sin relleno (4 clases)

- Resistencia a la compresión de las paredes (discontinuidades con o sin relleno):

-

o

Indices de campo (6 clases)

o

Valor del penetrómetro de bolsillo

Resistencia al corte (parámetro cuantitativo)

5.1. RUGOSIDAD (ondulación de la superficie, irregularidades a pequeña escala) Gran influencia en el comportamiento geomecánico, sobre todo en la resistencia al corte (la influencia decrece con: abertura, relleno y desplazamiento de las discontinuidades). Requiere dos escalas de observación: ondulación (dm, m) y rugosidad (mm) - ondulación: superficies planas, onduladas, escalonadas - rugosidad: superficies pulidas, lisas, rugosas La ondulación y rugosidad pueden controlar las posibles direcciones de desplazamiento.

La resistencia al corte de discontinuidades rugosas depende de la dirección de desplazamiento. 5.1.1. TIPOS DE RUGOSIDADES:

TIPO

DESCRIPCIÓN

I

Rugosa irregular, escalonada

II

Lisa, escalonada

III

Pulida, escalonada

IV

Rugosa irregular, ondulada

V

Lisa, ondulada

VI

Pulida ondulada

VII

Rugo irregular, planar

VIII

Lisa, planar

IX

Pulida planar

5.1.2. DETERMINARCIÓN DE LA RUGOSIDAD 5.1.2.1. PRIMER METODO: RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS

Se determina por los dos siguientes métodos para tener una mejor precisión en los resultados: Con los perfiles de rugosidad de la junta propuesto por Barton, el cual se muestra en la siguiente figura. Consiste en la observación de la superficie de las paredes de las diaclasas y buscar a cual de los perfiles propuestos por Barton se asemeja más para asignarle un valor de magnitud que puede ir de 0 a 20.

El segundo consiste en utilizar un escalímetro y tomar una media entre medidas de la amplitud o profundidad de las rugosidades. Luego teniendo estas medidas y en función de la longitud del escalímetro se utiliza el gráfico mostrado en la siguiente figura y se encuentra el coeficiente de rugosidad (JRC).

5.1.2.2. SEGUNDO METODO: RUGOSIMETRO

El paramento de rugosidad superficial de la junta se obtiene con el PEINE DE BARTON, se obtiene una línea que se compara con una escala de perfiles , propuesta por Barton. Cada perfil tiene asignado un numero de clasificación JRC que varia entre 0 y 20 (JRC = coeficiente de rugosidad de la junta). Método Empírico para evaluación de Índice de JRC:   =

α – φR    ( ) 

ΦR = Angulo de fricción de corte residual σ = presión normal en la superficie de la junta generada por el

peso de la parte superior de la muestra. JCS= resistencia de la junta medida con el martillo de Schmidt.

Øp = Øb +i Øp = irregularidad de la superficie( 30º A 70º). i = ángulo de rugosidad ( 0º A 40º) Øb = ángulo básico de fricción.



CRITERIO DE BARTON Y CHOUBEY T=σn tag [ JRC log 10 ( JCS/σn ) + Ør] T y σn = esfuerzos tangencial y normal efectivo sobre el plano

de discontinuidad Ør = ángulo de rozamiento residual JRC = coeficiente de rugosidad de la discontinuidad (joint roughbess coefficient. JCS = resistencia a compresión de las paredes de las discontinuidades ( joint wall compression strength).

5.1.3. APLICACIÓN DEL VALOR DE LA RUGOSIDAD DE LOS PERFILES:

5.1.4. PEINE DE BARTON • Si hablamos de la aplicación del Peine de Barton se viene la idea de que

para el estudio de las discontinuidades en el interior de la masa rocosa ya que ahí el macizo presenta una resistencia al corte y a la comprensión menor. • Para estimar la resistencia de los macizos rocosos, caracterizados por la

existencia de las discontinuidades geológicas, es necesario conocer las propiedades

mecánicas

de

las

rocas,

las

características

de

discontinuidades, el estado y comportamiento mecánico –estructural del macizo rocoso.

Descripción: Las 35 hojas ultra finas por

pulgada asegurar que vas a encontrar una réplica exacta de su forma copiado. El contorno es capaz de replicar superficies hasta 3-1 / 2 pulgadas de profundidad.

El paramento de rugosidad superficial de la junta se obtiene con el Peine de Barton, se obtiene una línea que se compara con una escala de perfiles, propuesta por Barton. Cada perfil tiene asignado un numero de clasificación JRC que varía entre 0 y 20 (JRC = coeficiente de rugosidad de la junta).

6. CONCLUSIONES: 

Se determinó mediante diversos análisis, la resistencia a la compresión simple de un macizo rocoso, parámetro de suma importancia para determinar la calidad de la roca.

  Hemos determinado los pasos a seguir para poder tener unos resultados



correctos al momento de someter una muestra a los ensayos tanto uniaxial y triaxial.   Mediante el ensayo usando el martillo de Schmidt, se puede estimar la



resistencia a compresión simple de la roca a partir de la resistencia al rebote de la superficie de roca ensayada.   Se aprendio a determinar la rugosidad de una discontinuidad de diversas



formas. 

El correcto uso de el peine de Barton, permite una mejor toma de datos y hallar la rugosidad correcta de la discontinuidad.