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INTRODUCCIÓN Algunas veces no se dispone de material para preparar probetas adecuadas para los ensayos de compresión simple. También puede suceder que el número de ensayos que haya que realizar sea grande y que éstos tengan que llevarse a cabo “in situ”. En ambos casos, el ensayo de carga puntual puede sustituir al de la compresión simple. Con el equipo de carga puntual se hace los ensayos en lo cual consiste en romper un trozo de roca entre dos puntas cónicas de acero endurecido.
OBJETIVOS:
Dar a conocer que este equipo de carga puntual podemos determinar el Índice de Resistencia (Is)
en testigos de roca que requieren de poca
preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares.
Así mismo en seguidamente deducir las propiedades mecánicas de la roca sometidas a compresión a partir de ensayos de carga puntual.
Veremos como el volumen de la probeta influye en su resistencia, gracias a los ensayos con el equipo de carga puntual.
GENERALIDADES Con la ayuda del equipo de carga puntual podemos realizar ensayos donde se utiliza para determinar la resistencia a la compresión simple de fragmentos irregulares de roca, testigos cilíndricos de sondajes o bloques, a partir del índice de resistencia a la carga puntual (Is), de tal forma que el stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, según el diámetro de la muestra. El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas metálicas accionadas por una prensa. Las ventajas de este ensayo son que se pueden usar muestras de roca irregulares sin preparación previa alguna y que la maquina es portátil. RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación:
L/D = 1.4 Donde: L = Longitud de la probeta (cm). D = Diámetro de la probeta (cm).
FÓRMULA MATEMÁTICAS:
Is = P/D² Donde: Is = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm²). P = Carga última de rotura (Kg). D = Diámetro de la probeta (cm).
Estimación de la “dc”, en relación a la Carga Puntual.
dc = (14 + 0.175 D) Is Donde:
dc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²). D = Diámetro de la probeta en mm. EQUIPO DE CARGA PUNTUAL El equipo utilizado es la versión portátil que consta de:
Sistema de carga Lector de carga Lector de distancia
Sistema de carga:
Marco de carga: - El marco de carga está diseñado y construido de manera que por la aplicación repetida de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxiales con una desviación máxima de 0.2 mm. - Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de testigos de roca con diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15 a 100 mm. Dos puntas cónicas: - Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existan problemas de deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular sean ensayados. - Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindro hidráulico. - Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60° y el radio de la esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialmente. El cilindro hidráulico: Es accionado mediante una bomba hidráulica manual a través del cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra.
Lector de carga:
Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máxima de falla.
Lector de distancia: Un sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra la distancia entre los puntos de contacto de las puntas cónicas con el testigo.
Calibración: El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de carga certificada y un juego de bloques para chequear que las lecturas de P y D estén dentro de los rangos previamente establecidos para este ensayo.
PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO CON CARGA PUNTUAL: 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. 4. Dependiendo del tipo de muestra (ver figura 1), se sitúa el testigo entre las puntas cónicas de la maquina, resguardando que se cumplan las configuraciones de carga y requerimientos de forma del testigo. 5. Se recubre la maquina con una bolsa resistente cuyo fin será el de evitar que al momento de fallar la roca no salten fragmentos y dañen a personas u objetos de alrededor. 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. 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 (Figura 2). Figura 1: Configuración de carga y requerimientos en la forma de los testigos
(a) muestra diametral. (b) muestra axial. (c) bloque. (d) muestra irregular. L = largo. W = ancho. D = diámetro. De = diámetro del núcleo equivalente.
Figura 2: Modos típicos de falla para muestras validas e invalidas (a) muestras diametrales válidas. (b) muestras axiales válidas. (c) bloques válidos. (d) muestras inválidas.
CÁLCULOS: El índice de carga puntual sin corrección se calcula de la siguiente manera:
Is = P/De2
(MPa)
Donde:
P = carga de falla, N, (Debido a que la presión se realiza a través de puntas cónicas, es necesario realizar una corrección, la cual es: P = valor medido
en la maquina * 14.426 cm2) De = diámetro del núcleo equivalente = D para muestras diametrales (ver figura 1), m, y es dada por: De2 = D2 para muestra diametrales, mm2, o De2=4A/π para muestras irregulares, axiales o bloques, mm 2; Donde: A= WD= área de la sección transversal mínima (ver figura 1)
La clasificación de las rocas según su resistencia a compression uniaxial, propuesta por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (Brown, 1981), es la siguiente: Resistencia (MPa) >250 100-250 50-100 25-50 5-25 1-5 0,25-1
Clasificación Extremadamente alta Muy Alta Alta Media Baja Muy Baja Extremadamente Baja
CORRECCIONES:
Is varía como una función de D en el ensayo diametral y como una función de De en el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debe aplicar una corrección para obtener un valor único de esfuerzo de
carga puntual para una muestra de roca. y para que este valor pueda ser
usado para propósitos de clasificación de la roca. El valor de esfuerzo de carga puntual corregido Is
(50)
de un testigo o
muestra de roca está definido como el valor Is medido en un ensayo
diametral con diámetro D= 50mm. El método más efectivo de obtener Is
(50)
es ejecutar ensayos diametrales
muy cerca de D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introducirá un mínimo de error (p.e. en el caso de ensayos diametrales de testigos cilíndricos NX con D=54mm, la corrección no es necesaria). Sin embargo no todos los ensayos de carga puntual son ejecutados con estos testigos por lo que la siguiente corrección debe ser aplicada: Is (50) = F x Is Donde el factor F es la siguiente expresión: F = (De/50)0.45
Para testigos con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error será introducido si se usa la expresión: F = (De/50)0.5
Los resultados finales Is
(50)
serán calculados eliminando los dos valores
más altos y los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos y calculando el promedio con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueran pocos solo se eliminará el mayor y el menor y se calculará el promedio con los restantes. - Los resultados de los ensayos diametrales, axiales, de bloques separadamente.
y pedazos irregulares deben ser calculados
A partir del índice de carga puntual corregido Is
(50)
se puede utilizar la
fórmula de E. Broch y J. A. Franklin(1972) para estimar la resistencia a la
compresión no confinada: σc = 24 Is (50) Asimismo Brock(1993) ha propuesto también una relación entra la resistencia de tracción T0 y el índice de carga puntual Is (50): T0 = 1,5 Is (50)
Según esto la relación media entre las resistencias a compresión y tracción de las rocas seria de 16. En este ensayo la rotura de la roca se produce entre las dos puntas del aparato. Cuando las rocas son muy anisótropas, es decir, cuando contiene numerosas superficies de debilidad, la orientación de éstas con respecto al plano de rotura es muy importante. Para conseguir que los resultados de los ensayos realizados con un mismo tipo de roca sean comparables, es necesario que las discontinuidades se encuentren siempre en una misma posición respecto al eje que une las dos puntas del aparato.
CONCLUSIONES
Con el aparato de carga puntual podremos realizar ensayos que nos ayudara determinar propiedades mecánicas. Como por ejemplo predecir el
esfuerzo de compresión uniaxial. El volumen de la probeta es un factor muy importante para determinar la resistencia de la roca.
ANEXO
