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• Manuel Gutarra

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1.0 -

CLASIFICACION Y PROPIEDADES INDICE DE LAS ROCAS Se recomienda una revisión de geología. Ejm. Anexo 3, Libro de Goodman, sobre Identificación de Rocas y Minerales. La edad de la roca frecuentemente se correlaciona con su dureza, resistencia, durabilidad y otras propiedades. La clasificación de las rocas según su origen es: ígneas, metamórficas y sedimentarias. Sin embargo, en este curso interesa el comportamiento mecánico de la roca antes que su origen. Por lo tanto se subdividen en clases y subclases según su textura:

I.

Textura Cristalina

A. B.

F.

Sales y carbonatos solubles. Caliza, dolomita, mármol, sal de roca, yeso. Mica u otros minerales planares en bandas contínuas. Esquistos de mica, clorita, grafito. Minerales silicatos en bandas sin hojas contínuas de mica. Gneiss. Minerales silicatos aleatoriamente orientados y distribuidos, de tamaño uniforme de grano. Granito, diorita, gabro, sienita. Minerales silicatos distribuidos aleatoriamente y orientados en una matriz de grano muy fino, con presencia de vacíos. Basalto, riolita, otras rocas volcánicas. Rocas sometidas a altos esfuerzos de corte. Serpentinita, milonita.

II

Textura Clástica

A. B.

D. E.

Cementado estable. Arenisca cementada con silicatos y areniscas limoníticas. Con cementante ligeramente soluble. Arenisca cementada en calcita y conglomerado. Con cementante altamente soluble. Areniscas cementadas en calcita y conglomerado. Cementado incompleto o débil. Areniscas cementadas en yeso o conglomerados. No cementado. Areniscas rodeadas de arcilla.

III

Rocas de Grano muy Fino

A. B. C. D.

Rocas duras, isotrópicas. Hornfels y algunos basaltos. Rocas duras, anisotrópicas a gran escala pero isotrópicas microscópicamente. Pizarras. Rocas duras, microscópicamente anisotrópicas. Slate, fillita Rocas blandas, similares al suelo. Pizarra compactada, tiza.

IV

Rocas Orgánicas

A. B. C. D. E.

Carbón blando. Lignito y carbón bituminoso. Carbón duro "Pizarra petrolífera" Pizarra bituminosa Arena Tar

C. D. E.

C.

Características de las Clases de Roca

Rocas Cristalinas -

-

-

Las rocas cristalinas están conformadas por cristales interconectados de minerales silicatos o carbonatos, sulfatos u otras sales. Cuando no están meteorizadas son elásticas y duras con características de falla frágil a presiones en el rango de las obras civiles. Si los cristales están separados por fisuras, pueden deformarse no linealmente (plásticamente o irreversiblemente). Este efecto es mayor en carbonatos, sal de roca, a presiones medianas de confinamiento. Las micas y otros minerales foliados reducen la resistencia de la roca debido al deslizamiento a través de la superficie de clivaje. Las micas son altamente anisotrópicas, con baja resistencia en la dirección de la esquistosidad. Las rocas volcánicas a pesar de sus vacíos se comportan similarmente al granito. Las serpentinitas tienen superficies de corte ocultas y extensivas, por lo que sus propiedades son altamente variables y pobres.

Rocas Clásticas -

Las rocas clásticas deben sus propiedades al cementante que une los fragmentos. Algunas rocas fuertemente cementadas se comportan de una manera elástica. Otras se convierten en sedimento apenas inmersas en agua. El término FRIABLE define la naturaleza incompleta del cementante.

Rocas de Grano muy Fino -

Entre las rocas de grano muy fino, las pizarras (compuestas de limo y arcillas) varían ampliamente en durabilidad, resistencia, deformabilidad y dureza. Pueden ser duras y fuertes, también considerados como suelos duros. Pueden exhibir cambios de volumen al ser humedecidos o secados variando notablemente sus propiedades. Por ejemplo la tiza es una roca de carbonatos, clástica y altamente porosa, elástica a bajas presiones, pero plástica a presiones moderadas.

Rocas Orgánicas -

Las rocas orgánicas incluyen aquellas de tipo viscoso, plástico y elástico. Ejemplo, el carbón duro y las pizarras petrolíferas.

Propiedades Indice de las Rocas Se propone una descripción cuantitativa de la roca en base a mediciones básicas: -

Porosidad. Identifica la proporción relativa de sólidos y vacíos. Densidad. Provee información sobre los componentes mineralógicos o granulométricos. Velocidad del sonido. Evalúa el grado de fisuramiento junto con la descripción petrográfica. Permeabilidad. Evalúa la interconexión relativa entre los poros. Durabilidad. Indica la tendencia a la ruptura eventual de los componentes o estructuras, degradando la calidad de la roca. Resistencia. Determina la competencia de la fábrica de la roca para mantener unidos a los componentes.

Estas propiedades no necesariamente reflejan el comportamiento de los especímenes bajo cambios de temperatura, esfuerzos, presiones y tiempo. Tampoco reemplazan los ensayos que se realizan en otras áreas. Por otro lado, estos ensayos no caracterizan el macizo rocoso, donde en algunos casos el sistema de discontinuidades tiene más importancia que la roca misma. Estos ensayos ayudan a definir si una roca es fácilmente perforable, puede cortarse, utilizarse como agregado, enrocado, etc.

POROSIDAD

n= -

-

Vp

Vp = Volumen de los poros

Vt

Vt = Volumen total

n promedio en areniscas = 15% (puede llegar a 90%). n disminuye con la edad y con la profundidad (areniscas) (Tabla 2.1). Tiza es la roca mas porosa n> 50%. En rocas volcánicas los poros son burbujas de gas. En calizas cristalinas, y la mayoría de rocas ígneas y metamórficas los poros se deben principalmente a las fisuras. En las rocas ígneas la porosidad es menor de 2%, a menos que estén muy meteorizadas, en tal caso n crece a 20% o más. Así, n mide la calidad de estas rocas. Se ha encontrado una buena correlación de densidad, módulo de elasticidad y resistencia compresiva con el contenido de humedad para la roca saturada.

n=

Gw 1 + Gw

- Puede determinarse por los siguientes métodos

Densidad Humedad Contenido de Hg Vs y Vaire (Ley de Boyle)

DENSIDAD γ=W/V

(FL -3) unidades: lb/pie3 ó KN/m3

G = gravedad específica

G=

γ γw

γw = 1g - fuerza /cm3 = 9.8 KN/m3 = 0.01 MN/ m3 = 62.4 lb/pie3

G puede estimarse conociendo los porcentajes de los diferentes materiales mediante un microscopio binocular, o mediante una sección delgada, por lo tanto: n

G = ∑ Gi Vi i =1

Donde Gi es la gravedad específica del componente i, y Vi es su porcentaje en volumen en la parte sólida de la roca. La Tabla 2.2 presenta el valor de G de minerales comunes en las rocas.

γ d = Gγ w (1− n) γd =

γ húmedo 1+ w

w = contenido de humedad

La Tabla 2.3 presenta las densidades de las rocas más comunes. -

El rango de valores es mayor que en suelos. Conocimiento de γ es importante en minería e ingeniería. (agregados, excavaciones con techos tipo viga, etc). Mejor densidad ⇒ mejor calidad Importante en muros o presas de retención por gravedad.

PERMEABILIDAD HIDRÁULICA Y CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA -

Implicancia en el bombeo de agua, petróleo o gas en un medio poroso, almacenamiento de fluidos en cavernas para fines de generación de energía, predicción del flujo en un túnel. etc.

-

Muchas veces el sistema de discontinuidades modificará radicalmente los valores de permeabilidad de la roca en el campo comparado con el laboratorio, es preferible una prueba de bombeo.

-

Proporciona información sobre el grado de interconexión entre los poros o fisuras.

-

-

Cambio en K con el cambio en σ, de compresión a tensión, evalúa el grado de fisuramiento de la roca (fracturas planas son muy sensibles a σ ). Ley de Darcy:

qx = K

dh A dx

qx = razón de flujo (L3 T-1) h = carga hidráulica (L) A = sección transversal normal a x (L2)

K= conductividad hidráulica (unidades de velocidad) cm/s, pie3/min. - Cuando la temperatura varía de 20°C, ó para otros fluidos, interviene la viscosidad:

qx =

K dp A µ dx

p = presión del fluido (γwh) (FL -2) µ = viscosidad del líquido (FL-2 T) el agua a 20°C tiene µ = 2.098 x 10 -5 lb. s/ft2 = 1.005x10-3 N.s /m2 K = es independiente de las propiedades del fluido (L2) y se denomina PERMEABILIDAD HIDRÁULICA. Tiene unidades en darcy (1 darcy = 9.86 x 10-9 cm2) (10-3 cm/s) Tabla 2.4 Determinación en el laboratorio: medición del tiempo de paso de un volumen de fluido a través de un especimen o flujo radial en un especimen cilíndrico hueco, perforando un agujero coaxial en el centro de un testigo de perforación. El flujo puede ser de afuera hacia adentro o de adentro hacia fuera. En el primer caso se ejerce una fuerza compresiva, y en el segundo caso una fuerza de tensión. Se observan distintas permeabilidades según la dirección de flujo. Este ensayo de permeabilidad radial fue creado por Bernaix (1969) para la Presa Malpasset, luego de su falla. Se encontró que K variaba hasta 50,000 veces si el flujo era hacia fuera con ∆P de 1 bar, ó hacia adentro, con ∆P = 50 bars.

K=

q ln ( R2 / R1 ) 2πL ∆h

q = flujo L = Longitud del especimen R2 y R1 = radios del especimen ∆h = carga hidráulica correspondiente a ∆P -

Puede generarse gradientes muy altos, permitiendo medir muy bajas K (orden de 10-9 darcy).

-

Las rocas densas (granito, basalto, esquisto, caliza cristalina) tienen muy baja K en el laboratorio, aunque en el campo puede ser mayor (Tabla 2.4) Esto se atribuye a las discontinuidades.

-

Si se idealiza el macizo rocoso como un sistema de placas lisas paralelas, todo el flujo corre entre las placas con 3 familias perpendiculares entre sí, de igual abertura y espaciamiento, entonces:

K=

γw 6µ

⎛ e3 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝S ⎠

S= espaciamiento entre fracturas. e= abertura de la fractura. ∴ La permeabilidad de la roca puede calcularse a partir de una descripción de las fracturas; e y S indican cuantitativamente la calidad del macizo rocoso.

RESISTENCIA Se mide por el ensayo de carga puntual. La roca es cargada entre conos de acero endurecido, causando la falla por el desarrollo de grietas de tensión paralelas al eje de carga. Se utiliza el aparato de Broch and Franklin. La resistencia a la carga puntual es

Is =

P D2

P = carga en la falla D = distancia entre los puntos de carga. Se requiere al menos que L = 1.4 D El índice de carga puntual se reporta para testigos de 50 mm. de diámetro. Debe corregirse para otro D. Existe una correlación con qu: qu = 24 Is(50) Esta correlación no es buena para rocas débiles. El ensayo puede hacerse en el campo y reportarse con el registro de perforación (Tabla 2.5).

DURABILIDAD Mide la exfoliación, hidratación, decrepitación, solución, oxidación, abrasión, etc. En algunas pizarras y rocas volcánicas, la roca se deteriora rápidamente en una superficie descubierta. Se requiere un índice de alteración. Se realiza el ensayo de Durabilidad (Franklin y .Chandra, 1972), el cual consiste en un tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo con las paredes de malla

(aberturas de 2 mm). 500 g de roca se rotan en 10 ciclos a 20 rpm en un baño de agua, durante 10´. El % de roca retenido en el tambor (peso seco) es reportado como el Indice de Durabilidad Id. Gamble (1971) propuso otro ciclo de 10´ Id en pizarras y arcillitas varía de 0 a 100% Id crece con γ y decrece con w. En la Tabla 2.6 se presenta una clasificación de la roca según su Id Si el material tiene LL alto

⇒ puede deshacerse con mayor facilidad. (Tabla 2.7)

VELOCIDAD DEL SONIDO Para una muestra de roca entre 2 cristales piezoeléctricos, se mide Vl (velocidad longitudinal) Luego se obtiene un índice de calidad.

IQ =

Vl x 100 % V l*

Donde Vl * es la velocidad longitudinal en el mineral constituyente. También se relaciona IQ con la porosidad: IQ = 100 - 1.6 nρ (%) (Fig. 2.3)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE ROCAS PROPIEDADES ÍNDICE DE LAS ROCAS

PROBLEMAS

1. Una roca de edad Cretácea contiene 60% de illita, 20% de clorita, y 20% de pirita. Los valores de porosidad a distintas profundidades son: 33.5% a 600 pies; 25.4 % a 2,500 pies; 21.1 % a 3,500 pies, y 9.6% a 6,100 pies. Estimar el esfuerzo vertical a 6,000 pies de profundidad en esta roca (asumiendo una roca continua hasta dicha profundidad y saturada con agua). 2. Tres muestras de roca fueron sometidas a ensayos de carga puntual diametral. Las lecturas del dial de presión en la ruptura fueron 250 psi, 700 psi, Y 1,800 psi. Si el área de aplicación es 2.07 in2, y el diámetro de los testigos es 54 mm, calcular un estimado para la resistencia a la compresión no confinada de cada roca (Ignorar la corrección por diámetro). 3. Un testigo de arenisca compuesto de granos de cuarzo y feldespato con calcita como cementante tiene 82 mm de diámetro y 169 mm de longitud. Saturado en agua, su peso húmedo es 21.42 N; luego de secado al horno su peso es 20.31 N. Calcular su peso unitario húmedo, peso unitario seco, y su porosidad. 4. Otro especimen de la misma formación de la roca del Problema 3 muestra grandes vacíos. Su peso unitario húmedo es 128 lb/pie3 . Asumiendo que su gravedad específica es la misma que la del problema 3, estimar su porosidad. 5. Una roca granítica está compuesta de una mezcla de 30% de cuarzo, 40% de plagioclasa, y 30% de augita, su porosidad es 3.0% y su velocidad de onda longitudinal medida en el laboratorio es 3,200 m/s. Describir su estado de fisuramiento. 6. Una arenisca con porosidad de 15% está compuesta de una mezcla de 70% de granos de cuarzo y 30% de granos de pirita. Determinar su densidad seca en libras/pie3 y MN/m3. 7. Determinar el contenido de humedad de la roca del saturada con agua.

Problema 6 cuando está

8. Una roca es inyectada con mercurio a alta presión. Derivar una fórmula que exprese su porosidad en términos del contenido de mercurio medido, la gravedad específica del mercurio, y la gravedad específica de los componentes minerales. 9. Si una roca tiene una permeabilidad de 1 milidarcy, cuánta agua fluirá a través de ella por unidad de tiempo y de área bajo un gradiente unitario (la temperatura del agua es 20°C).

10. Cual será el esfuerzo vertical en el terreno a una profundidad de 5,000 pies en una roca de edad Pensilvaniana cuya porosidad está dada en la Tabla 2.1 y cuya densidad está dada en la Tabla 2.3 (pizarra de Oklahoma) (Integrar la relación de la densidad variando con la profundidad. Expresar la respuesta en psi y MPa. 11. Un macizo rocoso tiene una permeabilidad de campo de 10-5 cm/s. Asumiendo que la roca misma es impermeable y que tiene 3 juegos ortogonales de fracturas lisas con espaciamiento de 1m, calcular la abertura (e) de las fracturas. 12. Derivar una fórmula expresando la permeabilidad k (cm/s) de un macizo rocoso con fracturas ortogonales caracterizadas por idéntico espaciamiento S y apertura e si las facturas están rellenadas con un suelo de permeabilidad kf (cm/s).