PREGUNTA N.5 Ensayos insitu y de Laboratorio para Aberturas SubterrneasLos macizos rocosos son cuerpos esencialmente anisotrpicos, ya que estn compuestos habitualmente por diversas especies de minerales que han sufrido procesos tectnicos creando superficies de discontinuidad; sin embargo para poderlo caracterizar mecnicamente; generalmente se recurre a ensayar muestras normalmente sin discontinuidad.Estas pruebas tienen la finalidad de determinar las propiedades fsicas y mecnicas de la roca intacta, es decir sin que la roca se encuentre afectada por elementos geoestructurales (fallas, fracturas) o factores geolgicos que alteren sus propiedades; por tanto sus valores son mayores que la del macizo rocoso.Ensayos In-situ.Estos ensayos se realizan al interior del tnel y consiste en: ndice de resistencia manual (IRM): es una prueba de campo que se efecta con la ayuda de una picota de gelogo y un cuchillo de bolsillo.

Con estos implementos se pueden determinar el rango aproximado de la resistencia a la comprensin uniaxial (C) de la roca, as como el grado de resistencia. Pruebas Escleromtrica: Para las pruebas de campo debe de utilizarse un esclermetro o martillo tipo N con energa de impacto de 0.225 kg. Mediante la siguiente ecuacin; se consigue la correspondencia del rebote (R) obtenida con el martillo L para el cual se debe utilizar el baco de la fig. N 1.

Conocido RNRL = - 3.4 + (0.83 RN) + 0.0029 (RN)2

Conocido RLRN = 4.5 + (1 + 113 RL) - 0.0025 (R)2

Ensayo de Laboratorio.

Consiste en determinar las propiedades fsicas y mecnicas de la roca intacta, as como el estudio petrogrfica de la roca, para poder evaluar y calificar su condiciones geomecnicas.

Estudio petrogrficas.Estas se realizan en laboratorios especializados para encontrar caractersticas macroscpicas y microscpicas.

Propiedades fsicas.

Su determinacin se basa en el establecimiento del peso seco, peso saturado y el volumen de las probetas rocosas cilndricas. Las propiedades que as se determinan son:

A. Peso especfico (): Es el peso de una unidad de volumen de roca, expresado en gr. /cm3; Kg. /m3; etc. Y se determina por las siguiente frmula: = Peso seco x 9.81 gr. /cm3 Volumen

B. Porosidad (n): Es la relacin entre el volumen de vaci (poros) y el volumen total de la muestra y se calcula mediante la siguiente relacin en trmino porcentuales.

n = Peso saturado Peso seco x 100 W x volumen

C. Absorcin (w): Es el agua que llena a los poros de una muestra de roca sumergida en agua, y es la relacin porcentual del peso del agua absorbida, respecto al peso de la muestra seca.

W = Peso saturado Peso seco x 100 Peso seco

Propiedades Mecnicas.Las pruebas para determinar las caractersticas mecnicas de la roca, nos ayudan a comprender el comportamiento de estas, al medir y evaluar los efectos que se originan a ser sometidas al esfuerzo provocado.

A Continuacin detallamos los ensayos y pruebas que deben utilizarse.

A. ndice de resistencia a la carga puntual (Is): Este ensayo se ejecuta mediante de la modalidad de carga diametral o ensayo de compresin de Franklin este ndice es una indicacin razonable de la resistencia a la comprensin (C) y se calcula mediante las siguientes relaciones:Is = P c D2

Donde:Is = ndice de carga de punto. P = Carga necesaria para romper el espcimen.D = Dimetro del ncleo (mm). Luego la resistencia a la comprensin un axial se calcula por:

C = (14 + 0.175 D) Is

La carga que se requiere para romper un ncleo de roca con este mtodo, es aproximadamente la muestra sometida al esfuerzo de compresin un axial. B. Ensayo de comprensin simple o un axial (C).

Se define como: la fuerza por unidad de rea requerida para romper una muestra que esta sometida a esfuerzo un axiales (no confinado) y viene expresado en unidades de fuerza sobre el rea.El ensayo se realiza con probetas cilndricas, sometidas las mismas a cargas comprensivas axiales cada ve mayor hasta producir la rotura. Las velocidades de carga aplicada deben de estar dentro del rango recomendable de 5 a 10Kg. /cm2/seg. Para este caso debe usarse la relacin longitud/dimetro de probeta (L / D) de aproximadamente 2.La resistencia a la comprensin se determina mediante la siguiente expresin: C = 4 P c D2

Donde: C = Resistencia a la comprensin. P = Carga ltima de ruptura (Kg.).D = Dimetro de la probeta (cm.)Para la determinacin de la resistencia se toma como referencia la clasificacin hecha por Deere y Miler que se muestra a continuacin:DescripcinCalificacinResistencia a lacomprensinEjemplo de rocaCaractersticas

Kg./cm2MPa.

Muy Baja10-250

1 25Yeso, sal de roca

Baja250-50025 50

Carbn, limonita, esquisto

Media 500- 1,0050 100Arenisca, pizarra, lutita

Alta 1.000-2.000

100-200Mrmol, granito, gneiss

Muy Alta> 2,000

> 200Cuarcita, gabro.

Ejemplo: Resultados de dos pruebas de comprensin un axial.ProgresivaCondicin EnsayoProbetasCarga RoturaKg.C

cm.L cm.Kg./cm2MPa

0+512Saturado4.109.5525,1201,848.20181.20

0+512Seco4.169.5527,0001,986.50194.70

De aqu se puede determinar el coeficiente de (Ka), en esta propiedad la roca tiende a disminuir su capacidad de resistencia al saturarse con agua. Se calcula por la siguiente expresin: Ka = C Saturado C Seco

= 181.20= 0.93 94.70

Si Ka > 0.9, ablandamiento dbil.C. Ensayo e traccin (t): Es definida como la fuerza por unidad de rea requerida para romper una muestra sometida a esfuerzos tensinales.Se debe utilizar el mtodo de traccin indirecta o mtodo Brasilero. Este ensayo consiste en someter a una probeta cilndrica (disco de roca) a una carga lineal comprensiva actuando a lo largo de su dimetro.El resultado de este esfuerzo comprensivo, es una tencin horizontal y un esfuerzo comprensivo vertical variable. Las muestras suelen romperse en dos mitades segn el eje de carga diametral. Para este caso se debe de utilizar la relacin longitud/dimetro (L/D) = 0.5.La resistencia a la traccin (t) obtenida por este mtodo esta dada por la relacin: t = 2p DL

Donde:P = Carga de rotura.D = dimetro de la probeta.L = Longitud de la probeta.

Ejemplo: El siguiente cuadro muestra el resultado de una probeta.

ProgresivaProbetaCarga de rotura kg. t

cm.L cm.Kg./cm2MPa

0+51252.41,62 1.1086.008.43

D. Ensayo de comprensin traxial: este ensayo se debe de efectuar con testigos cilndricos de perforacin diamantina de 2.4 cm. De dimetro y 5cm. De longitud.Mediante este ensayo se determina los ndices volumtricos de resistencia como son: la cohesin (C) que expresa la tensin tangencial mxima cuando la tensin normal es igual a cero, y el ngulo de friccin (), que relaciona el incremento de las tenciones normales y tangenciales por la superficie de desplazamiento de la discontinuidad que obtenga la roca (fig. N 2). En el siguiente cuadro se muestra un ejemplo:

Progresiva Presin de confinamiento Kg./cm.2Resistencia Kg./cm.2 ()CKg./cm.2

0+5121002,655.3047300

E.Ensayos de constantes elsticas (E, ): Se debe adems efectuar ensayos para conocer las propiedades elsticas a fin de determinar el modulo de elasticidad (E) y la relacin de poisson ( ) que son las caractersticas fundamentales de formacin en los lmites de su estabilidad elstica.El ensayo debe de realizarse en una probeta cilndrica, sometida a una carga comprensiva axial cada vez mayor hasta producir su rotura, durante la aplicacin de la citada carga, se debe de hacer medicines de la deformacin longitudinal (EL) y deformacin diamental (ED) (ver figura N 3).La velocidad de la carga aplicada debe de estar en el rango recomendable de 5-10kg./cm.2/seg.,utilizando relacin longitud/dimetro (L/D) de probeta = 2. Mdulos de elasticidad (E): Es la relacin entre la posicin un axial (l) y la relacin de la deformacin longitudinal de la muestra (EL).

E = l EL

= 75.294 MPa

EL = AL decremento longitudinal L Longitud

Relacin de posicin (): Es el conciente de la relacin de las deformaciones diametral ( ED ) y longitudinal ( EL ), bajo una carga un axial (l)

= ED EL

= 0.15

Las frmulas presentadas son para cuerpos Elsticos Ideales que nos son precisamente las rocas, por consiguiente, se debe utilizar el Modulo Tangencial al 50% de la carga de rotura, siguiendo de esta manera los criterios de Deere, para poder normalizar la eleccin de los mdulos de deformacin (figura N 4).Segn este concepto el autor da a conocer la clasificacin de acuerdo al modulo relativo, como se muestra a continuacin:

ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL DEVILITAMIENTO

2500

2000

1500

1000

500

C = Cohesin = Angulo de fraccin interna. I = 1 = 96 kg./cm2 II = c= 1848 kg/cm2 (2 = 3) III = 3 = 100 kg/cm2 1 = 2655 kg./cm2

III

II

c

500 1000 1500 2000 2500 3000

IESFUERZO NORMAL (KG./cm 2)

TENSAYOS DE CONSTANTES ELSTICAS

A L

A L = deformacin longitudinalA D = Deformacin diametral

A D

ClaseDescripcinModulo relativo

HMLModulo Relativo ElevadoModulo RelativoMedio Modulo Relativo>500200 500> 200

Donde:E = Modulo de Elasticidad = 75.294 MPa. C a 50 % = Resistencia a la comprensin Simple al 50% = 90.6 MPa.Segn este criterio se tiene que: Modulo Relativo = E C a 50%

= 75.294 = 831 MPa90.6

Farmer clasifica los mdulos de deformacin de acuerdo al mdulo Tangencial Inicial (Ei), el que se calcula por la expresin siguiente y cuyos valores estn consignados a continuacin:Ei = 350 x C Kg. /cm2

Luego Ei = 350 x 1848.20 = 646,870Kg. /cm2= 6.47 x 105 Kg. /cm2Clase

QESENEDescripcin Ei ( Kg. /cm2)

Quasi Elstica 6-11x105Semi Elstica 4- 6 x 105No Elstica