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pRoptEDADES

UNIDAD II..

ilrolce y ruecÁmcAs

DE LAS RocAS

PRUEBAS DE LABORATORIO Y CAMPO

2.I.. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDAOES

íruO¡CC

Existen una serie de parámetros que se emplean para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades básicas de las rocas y permiten, asl mismo, establecLr una primera clasificación

con fines geotécnicos. Estas propiedades, denomínadas propiedades índice, serán las que -mineralógica determine en primera instancia, junto con la composicién y la fábric", irs propiedades y el comportamiento mecánico de la matriz rocosa. En la tablá2.1 s'e incluye una lista

de todas ellas y los métodos para su evaluación.

Muchas de las propiedades ingenieriles de las rocas dependen de la estructura de las particulas minerales y de la forma en que estas están unidas. Las ¡iropiedades Índice o propiedades físicas de las rocas se determinan en el laboratorio; las mas importantes a nivel de influencia en el cornportamiento mecánico son la porosidad, el peso específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagación de las ondas sónicas.'Algunas de estas propiedades, además de servir para su clasificaciÓn, están directamente relacionadas con las caracterfsticas resistentes y deformacionales de las rocas.

PROPIEDADES

Propiedades de identificación y clasificación

Composición mineralóg¡ca Fábríca y textura Tamaño de grano Color

Descripción visual. Microscopía óptica y electrónica. Difracción de rayos x

Porosidad (n) Peso específico (v) Contenido de humedad Grado de alteración (porcentaie de absorción) Permeabilidad (coeficiente de permeabilidad. k) Durabilidad

Técnicas de laboratorio

Alterabilidad Resistencia a la compresión simple Resistencia a la tensión Propiedades mecánicas

METODOS DE DETERMINAClÓN

Velocidad de ondas sónicas Vp y Vs Resistencia (parámetros c y g ) Deformabilidad ( módulos de deformación elástica estáticos o dinámicos: E . v )

Ensavo de oermeabilidad Ensayo de alterabilidda Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de carga puntual Martillo Schmidt Ensayo de tensión directa Ensayos de tensión índirecta (Brasileña v Flexión) Medida de velocidad de ondas elásticas en laboratorio Ensayo de compresión triaxial Ensavo de corte directo Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de velocidad sónica

TABLA 2.1.- PROPIEDADES DE LA MATRIZ RocosA Y METoDoS pARA sU DETERM¡NAcIóN

1t',,t / -t

/

'/r t

2.1.1.- POROSTDAD

Se llama porosidad de una roca al cociente que resulta de dividir su volumen de vaclos Vv, entre su volumen totalVm y se expresa en porcentaje:

, = !-' *1gg Ym

su valorvaría desde o.1 o/o en rocas de porosidad reducida hasta 20 7o en rocas muy porosas. En las primeras, la porosidad está constituida por fisuras alargadas de espesor muy pequeño producidas por esfuezos de origen térmico y/o tectónico. En las muy porosas existen oquedades menos alargadas y equidimensionales, que son conductos de disolución en rocas sedimentarias o burbujas de gas atrapadas durante elenfriamíento de las rocas ígneas. La porosidad es correlacionable con el peso volumétrico, deformabilidad, resistencia y velocidad de las ondas slsmicas en rocas pertenecientes a la misma formación litológica. En la figura 2.1 se

presenta una correlación entre porosidad, resistencia a la compresión simple y módulo tangente inicial de dos formaciones de roca

caliza.

,

.

I

[-t,, ran

Rg¡lo

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rq.br poccnlojc

FIGURA

2.I

POROS]DAD DE F¡SURACIÓN N. VS. RESISTENCIA A LA COUPRESIÓI.I SIMPLE RC Y MÓDULO DE

DEFORMABILIDAD.

--DETERMINAC¡ÓN DE LA POROSTDAD:

a)

Porosímetro de Farran y Thénoz:

Este dispositivo (fi9.2.2 ) está constituido por un tubo de vidrio en forma de U. La rama derecha de este tubo, de 70 cm de largo, termina en una llave R1; la izquierda, de '10 cm de altura, tiene un

depósito cilindrico C con dimensiones que permiten utilizarlo como portamuestras. El portamuestras C, debe quedar cenado herméticamente, Io que se puede lograr mediante un

sistema de contacto de superficies ásperas engrasadas entre el portamuestras propiamente dicho y su tapa semiesférica. Esta tapa va conectada a un tubo de seccíón transversal conocida de 50 cm de longitud y con una llave R2, en su extremo superior. En el punto más bajo del tubo de vidrío se tiene una tercera rama provista de una llave R3, y un receptáculo móvil lleno de mercurio, H.

El procedimiento de medición de la porosidad es

/'t

elsiguiente:

'/

-Se introduce la muestra en el portamuestras

G y se abren las llaves Rr , Rz y Rg. se nivel el volumen H, fija el del mercurio inmediatamente debajo de las llaves R1 y -Desplazando Rz.

-Se cierran las llaves Rr y Rz. -Se desplaza el receptáculo H hasta alcanzar el nivel inferior del portamuestras

--Se cierra la llave R3

C

! se deja descansar

el volumen H en su apoyo S. En estas condiciones, el aire contenido en la muestra se desprende y sube hasta ocupar cierto volumen cerca de la llave Rz. -Se abren las llaves Rr y Re y se desplaza H hasta que coincidan los niveles del mercurio en las dos ramas del tubo de vidrio. -Se mide el volumen del aire de la rama 2, que en estas condiciones está bajo la presión atmosférica, y se tomará como elvolumen de vacfos, Vv. -La porosidad se calcula con la fórmula dada. (Un minuto de permanencia de la muestra después delquinto paso es suficiente).

I

; I

: .t !.'

FlG. z.z ponósltrlrETRo DE FARRAN y rHENoz

b)

Método de Walsh

Consiste en someter a un espécimen de roca a una presión hidrostática, y obtener la gráfica del cambio de volumen unitario contra presión (fig. 2.3). Prolongando la recta AB se intercepta el eje de las abscísas en un punto que representa la porosidad de flsuración no de la roca. El método de Walsh para obtener la porosidad de fisuración se basa en el hecho de que, al someter a una muestra de roca a una presión hidrostática, se inicia un cierre progresivo de fisuras hasta alcanzar el punto A. Al incrementar la presión, la roca no fisurada muestra el comportamiento elástico lineal representado por lá recta AB.

l

v/; ¡ I

,'

l

ot= Es{uerzb hidrost«itico AV= Cornbio de volumen Vi= Volúmen iniciot I

,; L vlv Flc. 2.3 vennclóu DEL voLuMEN DE LA MUEsTRA

c)

rx rui.¡blóH

óe

u

pneslóN ApLtcADA

Porosidad absoluta

Permite conocer la cantidad total de poros y discontinuidades sin importar su origen y se puede calcular de manera indirecta mediante la siguiente expresión:

n=

v§s I + w,Ss

2.1.2.. DENSIDAD DE SÓLIDOS

La expresiÓn anterior supone que la densidad de sólidos es conocida. Dicha densidad se puede determinar moliendo la roca, y usando los procedimientos de mecáníca de suelos. por otra parte, dado que una roca está formada de diferentes minerales, todos ellos de diferente densidad de sólidos; la Ss de la roca puede conocerse si se conocen los porcentajes de los distintos minerales que constituyen la roca mediante el uso de microscopios o del análisis petrográfico de secciones delgadas. Asl pues, la densidad de sólidos de la roca se puede calcular con el promedio pesado de las densidades de sólidos de cada tipo de cristales con la siguiente expresión:

^§s

=

f '=1

Ss,z,

Vm

I

=l

Donde: Ss, es la densidad de sólidos delcomponente i. V¡,is el porcentaje decimaldelvolumen delcomponente

i.

En la tabla siguiente se presentan las densidades de sólidos de mínerales comunes: MlNERAL

Ss

Halita

2.1-2.6 2.3 -2.4 2.3 -2.6 2.5 -2.6 2.6 -2.64

Yeso Serpentina Ortoclasa Calcedonia Cuarzo Plagioclasa Clorita e llita Calcita Muscovita Biotita

Dolomita

.

Anhidrita Piroxena Olivino Barita Magnetita Pirita Galena TABLA 2.2 DENSTDAD oe

sóuoos

s/'t

2.65 2.6 -2.8 2.6 - 3.0 2.70 2,7 - 3.0 2.8 - 3.1 2.8 - 3.1 2.9 - 3.0 3.2 - 3.6 3.2 - 3.6 4.3 - 4.6 4.4 - 5.2 4.9 - 5.2 7.4

-7.6

DE MTNERALES

coMUNEs

2.1,3.. PESO ESPECíFEO. El peso especlfico ó volumétrico yn",, de una muestra de roca con la humedad natural es el cociente del peso de la muestra, Wm, entre elvolumen de la muestra Vm. El peso volumétrico seco |6, €s €l cociente del peso seco de la muestra Ws, entre elvolumen de la muestra Vm. El procedimiento para obtener en laboratorio los pesos volumétricos natural y seco de una muestra de roca es el siguiente: - Se pesa la muestra con su humedad natural(se obtiene Wm) Se seca al horno durante 24 h a 105' C, se enfrla dentro de un recipiente hermético y se pesa (se obtiene Ws) - Mediante la balanza (fig.2.4) se obtiene elvolumen de la muestra Vm de la manera siguiente: en el platillo izquierdo se coloca una tara igual al peso de la muestra, y abajo del derecho la muestra sumergida en un recipiente que contiene mercurío. En el platillo derecho, además del peso propio de la rnuestra, se tiene el empuje ascendente que sufre la muestra (13.6 Vm) y el peso de taras conocidas Q para equilibrar la balanza. De este modo se puede establecer la ecuación:

-

Wm=Wm+Q-13.6Vm De donde se obtiene elvalor de Vm.

b,/31

-;1,

FIGURA 2.4.-ENSAYE PARA DETERM¡NAR EL VOLUMEN DE LA MUESTRA

El peso volumétrico natural será: a/

Wm

ym El peso volumétrico seco será:

/¿

Ws

- *ym

2.1.4.- CONTENIDO DE HUMEDAD.

Al aumentar el contenido de agua de una muestra de roca, disminuye su resistencia a

la

compresión simple. La presencia del agua en las fisuras de la roca provoca la reducción de la energía superficial de sus minerales, o sea, la cohesión de la roca disminuye por la simple presencia del agua en los poros; en consecuencia, al saturarse la muestra, su deformabilidad aumenta y su resistencia a la compresión simple disminuye. La reducción de resistencia puede ser notoria, como en el caso de una cuarcita en la que se varió el contenido de .agua de 0.00-5% a 0.09% pasando del estado seco al saturado, su resistencia varió de 1900 Kg/cm2 á SO0 Xglcm'. 2.1.5).- ALTERABILIDAD, DURAB¡LIDAD Y GRADO DE ALTERACTÓN. La durabilidad de las rocas es una propiedad de fundamental importancia en todas las aplicaciones

de las rocas. Los cambios en su composición mineralógica o en la estructura producidos por la exfoliación, hidratación, disolución, oxidación, abrasión y otros procesos, en resumen se alteran y de ello se distinguen dos características de las rocas: su alteración y su alterabílidad.

El grado de alteración de una roca es un parámetro con el que se trata de definir el estado presente de la roca; la alterabilidad es la capacidad de una roc€¡ para alterarse en elfuturo, bajo las condiciones predominantes en el sitio; por tanto la durabilidad es lo contrario de alterabilidad.

La prueba fndice de alterabilidad-durabilidad fue diseñada por Franklin y Chandra (1972). El aparato consiste en un tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de longítud con una malla de 2 mm formando paredes cilíndricas. Se colocan aproximadamente 500 gr de roca rota en 10 pedazos, dentro del tambor; el tambor se pone a girar durante 10 minutos a 20 rpm para dar a la roca un baño de agua. Después de estos 10 minutos de rotación a velocidad baja, se calcula el porcentaje de roca retenida por la malla con respecto al peso seco inicial, este porcentaje se reporta como lndice de alterabilidad durabilidad.

()tro autor, Gamble, (1973) propuso que se realice un segundo ciclo también de 10 minutos después de secado el material.

Los valores del Índice de alterabilidad-durabilidad de las pizanas y lutitas probadas por Gamble variaron de 0 al 1A0 o/o. No está claro cual es la relación entre la durabilidad y la edad geológica pero si se sabe que la durabilidad crece linealmente con la densidad e inversamente coñ el contenido de agua natural. Basado en sus resultados Gamble propone una clasificación según la durabilidad y que se dan en la tabla 2.3 siguiente.

CLASIFICACIÓN DEL GRUPO I I I

Durabilidad muv alta Durabilidad alta Durabilidad medianamente alta Durabilidad mediana Durabilidad baia Durabilidad muv baia

% RETENIDO DESPUES DEL PRIMER C]CLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE EN PESOS SECOS)

% RETENIDO DESPUES DEL SEGUNDO CICLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE EN

>gg

>98

98-99 95-98 85-95 60-85

95-98 85-95 60-85 30-60