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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón INGENIERIA INDUSTRIAL CLASE “ mecánica de materiales” trabajo GRUPO:2804 NOMBRE DE LA PROFESORA: MARTHA BERENICE FUENTES FLORES NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO DEL 2023 INTRODUCCION La mecánica de rocas he tenido un gran desarrollo en el aspecto teórico que ha permitido constituyéndose en una herramienta para el diseño de estructura en rocas (pilares, taludes, represas, etc.) La determinación de las propiedades mecánicas, como es el caso de los ensayos de compresión simple y/o uniaxial, ensayo de tracción indirecta brasilero, ensayo Triaxial, ensayo para la determinación de constantes elásticas, son ejecutados en la Maquina de Compresión de Rocas, con la finalidad de determinar las características de deformabilidad y de rotura de la roca y/o mineral, en compresión. Es fundamental la determinación de las propiedades de las rocas mediante ensayos y prácticas que se realicen en el laboratorio. Los ensayos de laboratorio son menos costosos y de mayor aplicación en nuestro medio. Este tipo de ensayo nos muestra las propiedades tales como son la densidad y la humedad de la roca. A continuación pasaremos a demostrar el ensayo realizado en el laboratorio para la determinación de sus propiedades. MARCO TEORICO PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS Las propiedades mecánicas definen la capacidad del material para resistir acciones externas o internas que implican la aplicación de fuerza sobre el mismo .Esencialmente estas fuerzas son de compresión, tensión (o extensión), flexión y de impacto. RESISTENCIA ALA COMPRESION. La resistencia a la compresión es la carga (o peso) por unidad de área a la que el material falla (se rompe) por facturación por cizalla o extensional, esta propiedad es muy importante en la mecánica de materiales tanto en situación no confinada (uniáxial) como confinada (triaxial). Dado que los materiales cerca de la superficie terrestre incluyendo los edificios, suelen estar sometidos a condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta situación en este caso, la resistencia a la compresión uniáxica (i.e. longitudinal) se mide en una prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor aplicado sobre una probeta de material de una dirección del espacio y la deformación lineal inducida en esa misma dirección. Figura 1. Desarrollo de facturas extensionales y de cizalla como resultado de compresión. Es importante indicar que los resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la compresión para un mismo material depende de la forma y tamaño de la probeta .así los prismas y cilindros largos presentan menores resistencia a la compresión que los cubos con la misma área de sección ,y estos a su vez menores que los prismas y cilindros cortos (con la altura s menores que sus lados ) .Igualmente ,la resistencia a la compresión depende de las tasa de aplicación de la carga , de forma que a mayores velocidades de compresión mayor es el valor de la resistencia . El esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por sección o superficie Dónde: F1, es la fuerza aplicada longitudinalmente, expresada en newton en el sistema más (N= Kg.m.s), dinas en el sistema CGS o kilogramos – fuerzas en el sistema técnico. S es la sección dela probeta (m2) y Nº Esel esfuerzo lineal expresado en Pa(n/m2) o Kg/m2 las dimensiones del esfuerzo son las mismas que las de presión). Dado que las fuerzas es un vector, también lo es el esfuerzo. Así, dado que el signo de la fuerza se toma negativo por convenio cuando es comprensiva, y positivo cuando es tensional, el esfuerzo compresor es negativo y el tensor es positivo. La deformación lineal es igual al cambio de longitud experimentando por la longitud original de la probeta: 𝐸1 = 𝑙1−𝑙0 𝑙0 = ∆𝑙 𝑙0 Dónde: l0(m) es la longitud original l1(m) es la longitud final Al(m) es el incremento de longitud de la probeta Puesto que al comprimir l0 es siempre mayor que l1, l y, son negativos (positivos para el caso de tensión). El valor de e1(que es adimensional) es generalmente muy pequeño para materiales pétreos(del orden de 0.01 y menores). La deformación indicada sobre un cuerpo debido a la acción de un campo de fuerzas exteriores puede ser elástica o plástica. La deformación es elástica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen iniciales una vez cesada la acción de las fuerzas externas. En caso contrario, la deformación es plástica (esto es, si la deformación persiste en parte). El que la deformación sea elástica o plástica depende de la naturaleza del cuerpo, de la temperatura, y del grado y tasa (velocidad) de deformación al que ha sido sometido. A temperatura constante, los materiales se comportan normalmente como elásticos cuando los esfuerzos aplicados son pequeños, si bien se tornan plásticos cuando los esfuerzos superan un cierto límite. Para estudiar el comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la experimentación sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformación resultante. Estos datos se expresan en diagramas o1 – e1 como los de la figura 2, donde toma la forma de curvas. En la figura 2 puede apreciarse un tramo de la curva o1 – e1 donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad, representado en la figura 2 por le punto a. en este tramo, el comportamiento del material es elástico, esto es, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, se recorre el mismo tramo de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen donde el esfuerzo y la deformación son nulos. La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite definir el módulo de Young o módulo de elasticidad (E). Estemódulo es la constante de proporcionalidad, de manera que: 𝐸 = 𝑜𝑙 𝐸𝐼 Donde el módulo de elasticidad E es positivo(o y el son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que Él es adimensional. El valor del módulo de Young es distinto para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismos. Figura 2 curva esfuerzos de formación para comprensión, con ilustración de las tramas elástico y plástico. Para deformaciones superiores al límite de proporcionalidad, existe un cierto tramo de la curva ol-el donde el comportamiento del material es elástico, aunque no existe proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación.Ellímite en que el comportamiento del material deja de ser elástico se denomina limite elástico, representado por el punto b de la curva de la Figura2. Al aumentarse el esfuerzo y superar el límiteelástico (punto b), la deformación aumenta rápidamente y es en parte permanente. Así , si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente a partir del punto c de la curva, se recorrerá el trayecto indicado por una fecha de puntos hasta alcanzar el punto donde el esfuerzo es nulo, pero existe una cierta deformación permanente(el cuerpo no recupera su longitud original). Al aumentar el esfuerzo se lleva finalmente el punto d, denominado punto de ruptura, desde el cuerpo experimente una fracturación catastrófica por cizalla o figuración extensional. Este punto de ruptura define, en términos del esfuerzo compresivo, la resistencia a la compresión(R). La resistencia a la compresión de los materiales de construcción es muy variable, oscilando desde materiales: • Muy débiles (<70 kg/cm2) • Débiles(70-200kg/cm2) • Moderadamente resistentes(200-700kg/cm2)• Fuertes(700-1400kg/cm2)hasta • Muy fuertes(>1400kg/cm2) Las rocas naturales son relativamente resistentes a la compresión (no tanto a la flexión y tensión), aunque las rocas sediméntales son las más débiles debido sobre todo a su mayor porosidad y variable grado de cementación, al igual que los hormigones (Tabla1). Aunque no puede generalizarse el efecto del tamaño de grano, puede decirse que, en general, la resistencia a la compresión aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano de los materiales a igual de otras variables como composición mineral, estructura,porosidad,cementación,etc. Los materiales pétreos pueden caracterizarse, en general, como frágiles bajo condiciones de temperatura ambiental (si bien a altas presiones y temperaturas presentan tramos plásticos más amplios, figura4). La deformación permanente entre el límite elástico y el punto de ruptura en los materiales heterogéneos como los pétreos se verifica a bajas temperaturas mediante unmicro fracturaciónfrágil. Esta microfracuración se produce sobre todo en el interior de los minerales que forman las rocas, a favor de sus sistemas de exfoliación, o entre micro poros. El grado de micro fracturación, que es controlado por las características texturales y estructurales de los materiales (e,g, tamaño de grano, porosidad, razón clastos/nariz,cementación, etc.),define en gran medida la forma de la curva esforazo- demostración. Así, puede generalizarse que los materiales petreoz con tamaño de grano fino tienden a ser casi-elásticos, mientras que los materiales petreoz con tamaño de grano fino tienden a ser casi-elásticos, mientras que los granos gruesos tienden a ser semi-elásticos, siempre a igualdad de otros factores. Respecto de la porosidad, materiales compactos y poco porosos tenderán a un comportamiento casi elástico o semi-elástico mientras los materiales muy porosos y poco moderadamente coherente (esto es ,escasamente cementado ,como las calcarenitas utilizadas en la construcción de edificios históricos de granada o morteros de cal)tienden a un comportamiento semi elástico o plástico el comportamiento semi –elástico o plástico indica un rápido aumento de la deformación en los primeros incrementos de esfuerzo ,lo cual se explica por acomodo de la carga por el movimiento relativo de los granos gruesos (gruesos) del entramado y/o deformación de los poros ,pasándose a continuación a una situación e que la tasa de deformación es menor ,esto es, de recuperación mecánica ,en la que el esfuerzo y la deformación aumenta más o menos proporcionalmente una vez el entramado de granos ha adquirido cierta compactación . Como puede deducirse de lo anterior ,el módulo de Young solo puede definirse en rigor cuando los materiales elásticos ,ya que la proporcionalidad lineal entre esfuerzo y deformación no de verifica en los materiales casi elásticos ,semi elástico y plástico .A pesar de ello ,este módulo puede calcularse para partes determinadas de las curvas esfuerzo deformación aunque sin el conocimiento de sus formas este dato sirve de poco .No obstante ,cuando los materiales son frágiles ,y su comportamiento es elástico o casi elástico ,el modelo de Young y la resistencia a la compresión nos permite tener una idea bastante aproximada de las curvas esfuerzo-deformación ,ya que en estos materiales el límite de proporcionalidad ,el limite elástico el punto de ruptura casi son coincidentes .estos casos ,el módulo de Young será muy útil para evaluar el comportamiento mecánico de los materiales ante la acción de esfuerzos compresivos de tipo uniaxial . Las anisotropías estructurales de los materiales ,tales como superficies de estratificación o foliación ,introducen lógicamente anisotropía mecánica .Dado que estas superficies introducen debilidades mercancías (los materiales se fracturan por extensión y cizalla más fácilmente a favor de las mismas ) la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad disminuye si el esfuerzo principal mayor (compresor ) es paralelo oblicuo ( cercano a45º ) tales superficies .La resistencia a la compresión de materiales anisótropos es máxima cuando la superficies están orientadas perpendicularmente al esfuerzo principal mayor .esto es importante en la estabilidad de las estructuras en los edificios y en los trabajos de restauración que implique sustitución de piezas por materiales estructuralmente anisótropos . La razón entre lo coeficiente de resistencia a la compresión del material saturado en agua y seco, denominad coeficiente de ablandamiento, es una mediad del efecto del agua sobre la resistencia a la compresión: 𝑘𝑠 = 𝑅𝑠 𝑅𝑑 Dónde: Ks = es el coeficiente de ablandamiento (adimensional) Rs = (Pa) es la resistencia a la compresión del material saturado en agua y Rd = (Pa) es la resistencia a la compresión del material seco. RESISTENCIA A LA TENSION La resistencia a la tensión es el esfuerzo tensional por unidad de área a la que el material falla (serompe) por fracturación extensional .esta propiedad, que es una indicación del grado de coherencia de material para resistir fuerzas tirantesdepende de la resistencia der los minerales, del área interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e intragranular. Existen distintas técnicas para medir la resistencia a la tensión ,tanto en materiales pétreos como en morteros ,cementos hormigones .En el ensayo de tracción directa quizás el más apropiado ,se utilizan probetas cilíndricas con una razón longitud /diámetro de 2ª 2.5 los extremos de las probetas se introducen (y pegan con resina epoxi) .en unas capsulas que están unidas a cadenas que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de torsión .la norma ASTM D936regula los métodos y condiciones experimentales este ensayo . Los conceptos ,definiciones y controles de la deformación introducidos anteriormente para la resistencia a la compresión puede ser extendidos sin más problemas a la resistencia a la tensión .respecto de los materiales pétreos de construcción ,puede generalizarse que, para un material dado , la magnitud de la resistencia a la tensión suele ser de un orden de magnitud menor que la resistencia a la compresión .en la tabla 3 se presentan valores de resistencia a la tensión para algunas rocas medidos con la técnica de tracción directa. DESARROLLO DEL ENSAYO 1. DATOS REFERENCIALES DE LA ROCA UBICACIÓN Y GEOLOGIA DE LA MUESTRA La roca con la cual se ha realizado los ensayos, corresponde a una muestra del Cerro Intiorko; ubicado en el distrito de Tacna de la ciudad de Tacna. El Cerro Intiorko cuenta con una altura máxima de 600 mts. Las coordenadas de la zona de donde se realizo la extracción de la muestra son: 18º00’01’’S y 70º15’21’’W. Ubicación del cerro Intiorko de acuerdo a la Carta Geológica Nacional (Fuente INGEMMET) Vista aérea del cerro Intiorko (Fuente GOOGLE EARTH) Zona de extracción de la muestra Zona de extracción de la muestra Litoestratigraficamente la Formación Geológica más antigua de la entorno es la Formación Moquegua del miembro superior, de Edad Terciaria Superior, compuesta de horizontes de Conglomerados, areniscas, limonitas y arcillas en la base del cerro. El tipo de roca perteneciente a la zona corresponde a Conglomerados Polimicticos, Tobas soldadas cristalofísicas de plagioclasas, biotita y cuarzo (Riolita); de acuerdo con la carta “37-B TACNA” del INGEMMET. Vista aérea de la ciudad de Tacna desde se hizo la extracción de la muestra (GOOGLE EARTH) Donde: Ww = diferencia entre el peso húmedo – peso seco Ws = peso seco del material PRACTICA N- 1 DETERMINACION DE LA DENSIDAD DEL MACIZO ROCOSO OBJETIVOS. 1. Enseñar al estudiante métodos para la obtención de la humedad natural y densidad de los materiales. 2. Capacitar al estudiante en el manejo ycuidado de los equipos utilizados. EQUIPOS 1. Balanza mecánica y electrónica 2. Vernier 3. Probetas 4. Capsulas normalizadas 5. Horno eléctrico 6. Cocina eléctrica 7. otros MARCO TEÓRICO Toda roca tiene en su estructura interior una cierta cantidad de espacios libres, los cuales normalmente están rellenos con líquidos y/o gases (en general agua y aire). Esto hace que se pueda considerar a la roca como un material de tres fases: sólida (material mineral), líquida (agua u otros líquidos) y gaseosa (aire u otros gases). Entonces toda roca puede encontrarse en alguna de las siguientes condiciones: saturada, con las tres fases o seca. a) Determinación de la Humedad; la determinación de contenido de humedad es un ensayo rutinario de laboratorio para determinar la cantidad de agua presente en una muestra de roca en términos de su peso en seco se define como: 𝑊𝑤 = 𝑊ℎ − 𝑊𝑠 𝑊 = 𝑊𝑊 𝑊𝑆 𝑥100 b) Determinación de la densidad; la determinación de la densidad esta representada por: 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (𝑔𝑟) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑑 𝑒𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (𝑐𝑚3) PROCEDIMIENTO. ➢ La muestra debe ser representativa y estar conformada como mínimo de 3 pedazos de roca de geometría irregular o regular, cada uno debe pesar por lo menos 50 gr. o tener una dimensión de por lo menos 10 veces el tamaño máximo del grano, escogiendo el que sea el mayor. ➢ Se limpia para eliminar el polvo que se encuentre adherido a ella y luego se pesa determinando M. ➢ Se sumerge en el recipiente con agua por un periodo de por lo menos una hora agitándola periódicamente de manera que se remueva el aire atrapado en la roca. ➢ La muestra se coloca en la probeta y se determina el volumen V (esto se realiza con 3 muestras irregulares y con una probeta). ➢ La muestra es colocada dentro de un recipiente limpio y seco e introducido en el horno a una temperatura de 105°C. Se seca por un día y luego se pesa la muestra obteniendo Ms. ➢ Repetir todo el procedimiento para cada pedazo de la muestra. RESULTADOS. 1. Determinación de la densidad: Figura regular Características Muestra( gr) 01 Muestra( gr) 02 Muestra( gr) 03 Peso de la muestra seca en gramos 176,8 173,9 162,5 Volumen de agua desplazado en cm3 86,98 79,64 83,59 Densidad gr/cm3 2,03 2,18 1,94 Densidad promedio de la roca 2,05 CONCLUSIONES. ➢ La presencia de poros en la estructura de un material de roca hace que decrezca su resistencia y se incremente su deformabilidad. ➢ Una pequeña fracción de volumen de poros puede producir un efecto apreciable en las propiedades mecánicas de las rocas. ➢ En algunos casos el valor de porosidad es suficiente pero para una descripción completa se requerirá además del valor de densidad. ➢ Un valor bajo en la densidad seca de la roca generalmente concuerda con un valor de porosidad alto. ➢ El valor de densidad es utilizado para obtener el peso (TMS) a partir del conocimiento del volumen (m3) en el cálculo de reservas de mineral y como dato a introducir en los modelos numéricos. ➢ El valor de absorción nos da una idea de cuanta agua puede introducirse en una roca y por lo tanto cuanto puede aumentar la presión de poros, lo cual hace que decrezcan los valores de resistencia y esfuerzo en las rocas. GRÁFICOS. PROCEDIMIENTOS EN IMÁGENES Vista panorámica de la zona a analizar Obtención de muestras: IN-SITU Reconocimiento del tipo de roca Sacando testigo en Probetas para los ensayos Pesamos la probeta PRACTICA Nº 02 DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ROCAS MEDIANTE METODOS INDIRECTOS ENSAYOS DE TRACCION: METODO BRASILEÑO REFERENCIAS Manual de ensayos de mecánica de rocas OBJETIVO Esta práctica tiene como propósito: 1. Enseñar a los estudiantes los diferentes métodos para obtener y determinar las propiedades mecánicas de las rocas. 2. determinar la resistencia a la compresión a la tracción de una manera indirecta pero muy simple. 3. Capacitar al estudiante en el manejo y cuidados de los equipos utilizados. EQUIPOS ➢ Equipo de carga puntual ➢ Maquina cortadora de roca ➢ Vernier ➢ Horno eléctrico MARCO TEORICO ➢ En esta prueba se coloca un cilindro con su eje horizontal entre las platinas de la máquina de prueba y se incrementa la carga hasta la falla por separación a lo largo del diámetro vertical. ➢ Cuando la carga se aplica a lo largo de la generatriz un elemento en el diámetro vertical del cilindro queda sometido a un esfuerzo vertical de compresión de: σv = __2p__ _* [(d2/ r(d-r)] 𝜋Ld y aun esfuerzo de tracción de σn = __2*p__ 𝜋Ld Donde: ➢ P= carga de compresión sobre el cilindro ➢ L= es el largo del cilindro ➢ D= es su diámetro ➢ R y (d-r) = son las distancias del elemento desde Las dos cargas respectivamente. ➢ Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. ➢ El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una maquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. ➢ Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. EXPOSICION GENERAL ➢ El ensayo de tracción indirecta o método brasileño: ➢ Consiste en obtener muestras cilíndricas en forma de discos, en el cual se aplica una fuerza con el fin de determinar el corte axial. D L D L 2 Donde: ❖ σ = Esfuerzo de tracción ❖ P= Carga aplicada kilos ❖ L= Altura en cm. ❖ D= Diámetro en cm. PROCEDIMIENTO • Aquí se observa en las figuras como se extrae un testigo con la perforadora diamantina (SOILTEST SERIE DR-22-10). • luego se observa en las figuras como se corta el testigo con la Sierra Eléctrica (SOLILTEST SERIE CT-306-A) y asi finalizando y quedando el testigo como se muestra en la figura. σ = 2.P ∏.D.L • luego se procede a tomar las medidas del testigo con el uso del vernier. • finalizando el paso anterior se procede a todas sus medidas con el vernier se marca la muestra tomando en consideración la forma de un disco con un mínimo de 2 pulg. • Para poder obtener un corte exacto tomamos las medidas de la Sierra Eléctrica (SOLILTEST SERIE CT-306-A) y observados la lectura del vernier. • después de haber terminado de marcar el testigo procedemos a realizar los cortes con la Sierra Eléctrica (SOLILTEST SERIE CT-306-A) para la obtención de los discos. • luego quedándonos como resultado lo que se muestra en la figura. Y después pasando a repetir el procedimiento anterior de tomar sus medidas con el vernier para la obtención de datos necesarios para el ensayo. • terminado eso se ve en la figura como la muestra es llevada a el horno (ESTUFA ELECTRICA MEMMERT SERIE 831682-MODELO U-10)para que pueda secarse. Y luego pasado el tiempo necesario para que la muestra pueda secarse se procede a retirar del horno • Ya para finalizar se lleva a las muestras a realizar la parte mas importante del ensayo que es la de comprobar la resistencia a la compresión de la muestra. Con el equipo de carga puntual (ENERPAE->GATA HIDRAULIZA)(P-39->MODELO).se muestra en el momento que la roca no soporta la presión y se rompe y se ve a cuanto fue la presión. PROCEDIMIENTO:De un bloque grande con la máquina sacatestigo (perforadora diamantina), obtuvimos 1 testigo de diámetro 5.39 cm y DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ROCAS, MEDIANTE METODOS INDIRECTOS: 1 ro : Las 2 muestras obtenidas M1 Y M2 lo sometemos a carga con la máquina de carga puntual donde obtendremos los datos de rotura de las probetas (muestras). 2 do : con la ecuación determinamos el esfuerzo de tracción para cada probeta. Sabiendo que el diámetro y la altura de cada muestra es la misma (las probetas tienen las mismas dimensiones). CALCULOS PARA LA OBTENCION DE ESFUERZOS DE TRACCION σ = 2.P ∏.D.L • PARA LA MUESTRA 1: DIAMETRO DE LA MUESTRA : 3.75 cm CARGA APLICADA : 690 kg. ALTURA DE LA MUESTRA : 2.21 cm σ = 2(690) ____ ∏ (3.75) (2.21) σ = 53.005 kg/cm2 • PARA LA MUESTRA 2: DIAMETRO DE LA MUESTRA : 3.79 cm CARGA APLICADA : 345 kg. ALTURA DE LA MUESTRA : 2.33 cm σ = 2(345) ____ ∏ (3.79) (2.33) σ = 24.872 kg/cm2 • PARA LA MUESTRA 3: DIAMETRO DE LA MUESTRA : 3.8 cm CARGA APLICADA : 495 kg. ALTURA DE LA MUESTRA : 2.12 cm σ = 2(750) ____ ∏ (5.39) (2.52) σ = 39.118 kg/cm2 • PROMEDIO DE σ: 𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝜎1 + 𝜎2 + 𝜎3 3 σ Prom.= (53.005 kg/cm2+ 24.872 kg/cm2+ 39.118 kg/cm2) σ Prom.= 38.998 kg/cm2 ❖ El promedio de las fuerzas de tracción que resulta luego de realizar tres pruebas o tres ensayos es de 38.998 kg/cm2 TOMA DE DATOS CARACTERISTICAS MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 3 Resultados. Resultados. Resultados. DIAMETRO 3.75 3.79 3.8 ALTURA 2.21 2.33 2.12 CARGA APLICADA 690 345 495 ESFUERZO DE TRACCION 53.005 kg/cm2 24.872 kg/cm2 39.118 kg/cm2 TABULACIONES DE DATOS Nº DESCRIPCION DIAMETRO LONGITUD FECHA DE ROTURA CARGA RESISTENCIA (cm) (cm) (kg) kg/cm2 Mpa 1 MUESTRA 1 3.75 2.21 23 / 05 / 12 690 53.005 5.187 2 MUESTRA 2 3.79 2.33 23 / 05 / 12 345 24.872 2.434 3 MUESTRA 3 3.8 2.12 23 / 05 / 12 495 39.118 3.828 PROMEDIO 38.998 3.816 CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS Luego de experimentar y desarrollar la siguiente practica de llego a las siguientes conclusiones ➢ Se debe de Tratar que se mantenga la relación de la muestra que debe tener el diámetro entre la altura y ser mayor o igual a 2:1. ➢ Se debe de conserguir, varias muestras de testigos para así lograr obtener un mejor resultadoy obtener una mayor eficiencia en el trabajo. ➢ Al usar la carga puntual (ENERPAC gata hidráulica) P-39 MODELO tratar de mantener en el centro y verificar la posición de la muestra la cual debe mantenerse fija. ➢ Cuando se va a realizar los cortes al testigo tratar de medir bien la muestra dejando un espacio que vendría hacer el grosor de la cortadora el cual sino tomamos en cuenta nos podría originar errores. ➢ Los ensayos que al cual se van a realizar en el laboratorio de mecánica de rocas cada ensayo debe de realizar tomando en cuenta todos los pasos a seguir y siempre con seguridad de estar haciendo bien las cosas ya que un descuido o un desorden por parte del grupo puede hacer que el trabajo salga mal hecho y nos pueda votar errores en el ensayo. ➢ Los ensayos se realizaran en condiciones seca, de humedad natural o saturada ➢ Cada ensayo a ejecutarse en el Laboratorio de mecánica de Rocas, se enmarcan dentro de los procedimientos estandarizados la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM). PRACTICA No 3 DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ROCAS, MEDIANTE METODOS DIRECTOS: ENSAYOS DE COMPRESION: SIMPLE REFERENCIAS Manual de ensayos de mecánica de rocas OBJETIVO Esta práctica tiene como propósito -Enseñar los diferentes métodos para obtener y determinar las propiedades de mecánicas las rocas. -Capacitar al estudiante en el manejo y cuidado de los equipos utilizados. -Determinar la resistencia a la comprensión de una manera diferente. MUESTRA Y ENSAYO El ensayo de compresión simple o compresión uniaxial tiene como objeto medir la resistencia a la compresión de las rocas y consiste en aplicar carga a un espécimen cilíndrico, hasta producir la rotura. La resistencia se calcula dividiendo la carga aplicada entre el área de la sección transversal del espécimen al momento de producir la rotura. La resistencia a la compresión uniaxial viene a ser una de las propiedades de la roca mas frecuentemente usadas y se les han trazado de relacionar a problemas de ingeniería tales como: la excavación de túneles con maquinarias tuneleras, la resistencia de los pilares, voladura de rocas, excavaciones de pozos, etc. La mayor dificultad en estos ensayos consiste en la preparación del espécimen especialmente en el acabado de las caras, las que deben ser paralelas y planas, con un alto grado de concordancia. La relación Altura – Diámetro debe ser mayor de 2, la esbeltez del espécimen tiene importancia y afecta en los resultados. Se recomienda una relación L/D 2.0 para no tener efecto de rozamiento de las bases con las caras del espécimen; así como también aseguramos que el plano de rotura se produzca libremente. t c = ------- T n P c = ------- A P(lbs)*0.4536 c = --------------------------------- A EQUIPO: ➢ Prensa Universal ➢ Perforadora Diamantina ➢ Maquina cortadora de roca ➢ Vernier ➢ Horno Eléctrico PERFORADORA DIAMANTINA MAQUINA CORTADORA DE ROCA PRENSA UNIVERSAL MEDIDOR VERNIER HORNO ELÉCTRICO EXPOSICIÓN GENERAL a) Ensayos de comprensión simple: La forma es la siguiente: -Se realiza extracciones diamantinas a cada muestra con el fin de obtener 02 probetas -por cada muestra -Se corta un lado de las probetas y se pone a secar en un horno a 105 ºC -Luego se mide el diámetro de la probeta y se aplica la siguiente regla: a) Regla Características : • L / D = 2 Donde: -c = Esfuerzo de Compresión -F = Carga aplicada Kilos -D = Diámetro en cm L c = F/ A D F PROCEDIMIENTO: ➢ -Preparar la muestra con la perforadora diamantina manteniendo la relación L/D 2.0 ➢ -Usar la maquina cortadora de testigos para darle una mejor presentación al momento de realizarse la prueba manteniéndola horizontalidad y perpendicular con la longitud. ➢ -Luego refrantar la muestra. ➢ -Procedemos a llevarla al horno para su secado a la temperatura de 105C durante unos 15 minutos. ➢ -Luego con el vernier tomamos las medidas del radio y de la longitud. ➢ -Procedemos a llevar la muestra a la prensa universal para someterlo a compresión uniaxial o compresión simple. ➢ Luego hacemos los cálculos correspondientes de los esfuerzos TOMA DE DATOS: MUESTRA 1 CARACTERISTICA MUESTRA Diámetro 3.79 Altura 7.71 Carga aplicada 9000 lb Compresión 361.865kg./cm² OBTENCION DE RESULTADOS PARA EL DISEÑO DEL GRAFICO ANTERIOR. Diámetro del Testigo -> 3.79 cm Longitud del Testigo -> 7.71 cm Prensa Hidráulica: ❖ Calculo del esfuerzo de compresión: σc = F -> Fuerza A -> Área σc = 9000 lb. * 0.4536 kg. 11.281 σc = 361.865 kg./cm² MUESTRA 2 CARACTERISTICA MUESTRA Diámetro 3.79 Altura 7.06 Carga aplicada 9500 lb Compresión 381.969/cm² OBTENCION DE RESULTADOS PARA EL DISEÑO DEL GRAFICO ANTERIOR. Diámetro del Testigo -> 3.79cm Longitud del Testigo -> 7.06 cm Prensa Hidráulica: ❖ Calculo del esfuerzo de compresión:σc = F -> Fuerza A -> Área σc = 9500 lb. * 0.4536 kg. 11.281 σc = 381.969 kg./cm² MUESTRA 3 CARACTERISTICA MUESTRA Diámetro 3.8 Altura 7.41 Carga aplicada 5500 lb Compresión 219.977/cm² OBTENCION DE RESULTADOS PARA EL DISEÑO DEL GRAFICO ANTERIOR. Diámetro del Testigo -> 3.8 cm Longitud del Testigo -> 7.41 cm Prensa Hidráulica: ❖ Calculo del esfuerzo de compresión: σc = F -> Fuerza A -> Área σc = 5500 lb. * 0.4536 kg. 11.341 σc = 219.977 kg./cm² CONCLUSIONES: ➢ La toma de lectura es muy importante para hallar la resistencia a la compresión de manera directa ➢ Se debe de comparar el resultado con pruebas anteriores de la misma roca o con resultados que se tienen en tablas para los distintos tipos de roca, esto para tener una idea y saber en qué rango debe estar. ➢ Lo que hemos calculado en esta práctica es la compresión de manera directa a la muestra para saber su resistencia a la compresión. ➢ Se recomienda una relación L/D > 2.0 para no tener efecto de rozamiento de las bases con las caras del espécimen así como también aseguramos que el plano de rotura se produzca libremente. ➢ El acabado de la muestra debe ser el mejor posible ya que de este defenderán la obtención de un buen resultado estas deben ser planas y paralelas. APLICACIÓN Aplicación adicional con el programa rocklab 1.- En una Mina Subterránea se tiene problemas con la estabilidad de la cajas por lo que se envía a laboratorio de Mecánica de Rocas Muestras para el ensayo Triaría. • El ensayo arrojo los siguientes resultados: Nº 1 7,1623 23,427 2 1,1235 85,255 3 10,3135 244,963 4 17,651 270,512 5 50,2223 360,763 6 110,563 501,022 • Roca : basalto Densidad 3,1 kg/cc • Aplicar el Programa Rock Lab. Para su desarrollo Resultados según el programa Hoek Brown Classification sigci = 250 MPa GSI = 50 mi = 32 D = 0 Ei = 103984 MR = 415,935 Hoek Brown Criterion mb = 5,36567 s = 0,003866 a = 0,505734 Failure Envelope Range Application General sig3max = 62,5 MPa Mohr-Coulomb Fit c = 17,6559 MPa phi = 40,5997 grados Rock Mass Parameters sigt = -0,18012 MPa sigc = 15,0568 MPa sigcm = 76,7729 MPa Erm = 31942,4 MPa Grafica de exportada de roclab al Excel Grafico del programa Roc lab Grafica de los dos modelos Lab Data 0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 120 Minor principal stress (MPa) M a jo r p ri n c ip a l s tr e s s ( M P a ) BIBLIOGRAFIA ➢ Libro de Excavaciones Subterráneas……. Hoek and Brown ➢ http://www.scribd.com/doc/26153798/Manual-Del-Lab-Oratorio-Mecanica-de-Rocas- corregido#source:facebook. ➢ Mecánica de Rocas - la minería- Barrins Meings. ➢ Libro de Mecánica de rocas. ➢ Mecánica de Rocas I ……. Ing. .Dante Manzanares ➢ Practica de laboratorio Nº 1,2,3,4,5,6 “Ing. Carlos Huisa” ➢ www.slideshare.net/Irveen/mecanica-de-rocas ➢ www.aimecuador.org/.../Problemas_actuales_Mec_Roc_Mineria.pdf ➢ www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_de_minas.../mecanicarocas ➢ www.mecacisa.com/catRocas.htm http://www.slideshare.net/Irveen/mecanica-de-rocas http://www.aimecuador.org/.../Problemas_actuales_Mec_Roc_Mineria.pdf http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_de_minas.../mecanicarocas GRAFICOS PRACTICA No 5 PRACTICA DE LA DETERMINACION DE VOLUMEN DE POROS, POROSIDAD Y ABSORCIÓN OBJETIVO Esta práctica tiene como propósito: 1. Enseñar al estudiante el método para la obtención de la porosidad de una muestra rocosa. 2. Capacitar al estudiante en el manejo y cuidado de los equipos utilizados. EQUIPOS → Balanza Mecánica y/o electrónica → Horno eléctrico → Vernier → Secador de muestras → Otros EXPOSICIÓN GENERAL 1. DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE POROS Y POROSIDAD DE UNA MUESTRA ROCOSA: La porosidad es un conjunto de superficies huecas o poros de la fase coherente fundamentalmente del tipo volcánico ya que estas rocas tienen la más alta porosidad. Esta porosidad se divide en: ✓ Súper capilares, cuando los poros tiene un diámetro mayor a 0,1 mm. ✓ Capilares, cuando los poros tienen un diámetro entre 0,1 y 0,002 mm. A. VOLUMEN DE POROS: Dónde: - Msat = Peso de la muestra saturada - M s = Peso de la muestra seca - w = Densidad del agua - Vv = Volumen de poros - V = Volumen de la muestra B. POROSIDAD: La porosidad es, en concepto general, la relación de vacíos con respecto al volumen total de la roca. De manera más precisa se define como la medida del espacio intersticial de una roca y por consiguiente de la cantidad de fluido que el medio puede almacenar. Se distinguen tres medidas diferentes de la porosidad: a) POROSIDAD TOTAL: Es la relación (en %) del volumen de vacíos al volumen total. Esta medida de la porosidad varía con la presión. 100100 t st t h T V VV V V − == Donde Vh = volumen de vacíos Vt = volumen total Vs = volumen sólido b) ÍNDICE DE VACÍOS: Es la relación del volumen de vacíos al volumen del sólido. No varía apreciablemente con la presión. 100 s h h V V I = c) POROSIDAD EFICAZ: Efectiva o coeficiente de capacidad específica: es la relación del volumen de agua extraída por gravedad de la formación rocosa, al volumen total de agua que la impregna. w ssat v MM V − = %100* V V n V= 100 ta g e V V = Se puede determinar que existe una porosidad primaria y una secundaria dependiendo de la roca es homogénea o heterogénea. Una roca homogénea es aquella en la cual los espacios vacíos están uniformemente distribuidos en toda la roca. Un ejemplo pueden ser los sedimentos no consolidados. En una roca heterogénea los espacios vacíos son menos uniformes en tamaño y forma y se encuentran distribuidos irregularmente a través de la formación. Por ejemplo las rocas compactas aunque no tienen porosidad intergranular presentan diaclasas y fallas en los cuales se almacena y circula el agua subterránea. Lo mismo sucede en rocas calcáreas las cuales presentan canales cavernosos que han sido formados por la acción continua del agua. La porosidad de una roca depende de varios factores: a) Forma y colocación de las partículas b) Granulometría c) Grado de compactación La porosidad depende de las dimensiones relativas de los granos ya que entre menos uniforme sea una muestra habrá más partículas finas llenando los espacios vacíos dejados por los granos gruesos y por tanto se disminuye la porosidad. 2. PORCENTAJE DE ABSORCIÓN: Es la cantidad de agua que los poros de la roca pueden absorber expresado en porcentaje. 100* s ssat M MM W − = PROCEDIMIENTO ✓ Se tornean 3 probetas representativas del material en forma de cilindros rectos. El tamaño mínimo de cada probeta debe ser tal que éste pese por lo menos 50 g. ✓ El volumen V del cilindro se calcula promediando varias medidas realizadas con el vernier. ✓ La muestra se satura mediante inmersión de agua en vació de menos 800 Pa durante una hora agitando periódicamente para quitar el aire atrapado. ✓ A continuación se seca la superficie de la probeta, utilizando un trapo húmedo. En este momento se determina el peso de la muestra saturadaMSAT. ✓ Después se seca la probeta a 105C y se refrigera durante 30minutos en un secador, determinando el peso de la muestra seca, MS. Si la roca es friable, habrá que utilizar fundas para que no se deshaga durante el ensayo. TABULACION DE DATOS Nº CARACTERÍSTICA MUESTRA1 MUESTRA2 MUESTRA3 1 Altura de la muestra (cm) 7.5 6.7 6.1 2 Diámetro de la muestra (cm) 3.4 3.4 3.5 3 Volumen (cmᶟ) 68.06 60.80 58.66 N° CARACTERÍSTICAS MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 3 PROMEDIO 1 Peso de la muestra saturada (gr) 188.2 163.6 147.5 166.43 2 Peso muestra seca (gr) 172.6 149.8 134.6 152.33 3 Densidad de agua (gr /cmᶟ) 1 1 1 1 4 Volumen del cilindro (cmᶟ) 68.06 60.8 58.66 62.51 5 Volumen de Poros ((1-2)/3) 15.6 13.8 12.9 14.10 6 Porosidad ((5/4)*100) 22.92 22.70 21.99 22.54 7 Absorción % (((1-2)/2)*100) 9.04 % 9.21 % 9.58 % 9.28 % CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS ➢ Determinamos el porcentaje de absorción mediante la diferencias entre las muestras saturadas y las muestras secas de una manera sencilla y rápida (optima). ➢ Para determinar la porosidad y absorción del material rocoso tuvimos que previamente acondicionar la muestra para el experimento, lo dejamos remojando en agua 1 hora y luego lo secamos también por 1 hora con la ayuda del horno eléctrico, esto facilito para que el cálculo y resultados estén óptimas. ➢ Al momento de someterlo a la absorción del agua se puede determinar los espacios libres que hay entre las moléculas. ➢ Se concluye que la porosidad depende del tipo de roca ya que en otra demostración se obtiene diferente contenido de agua que satura los poros. A más muestras que se obtengan mejor será el resultado de la operación. . ➢ La presencia de poros en la estructura de un material de roca hace que decrezca su resistencia y se incremente su deformabilidad. Una pequeña fracción de volumen de poros puede producir un efecto apreciable en las propiedades mecánicas de las rocas. ➢ En algunos casos el valor de porosidad es suficiente pero para una descripción completa se requerirá además del valor de densidad. Un valor bajo en la densidad seca de la roca generalmente concuerda con un valor de porosidad alto. ➢ El valor de densidad es utilizado para obtener el peso (TMS) a partir del conocimiento del volumen (m3) en el cálculo de reservas de mineral y como dato a introducir en los modelos numéricos. ➢ El valor de absorción nos da una idea de cuánta agua puede introducirse en una roca y por lo tanto cuanto puede aumentar la presión de poros, lo cual hace que decrezcan los valores de resistencia y esfuerzo en las rocas. ➢ La porosidad en rocas consolidadas se determina en laboratorio mediante ensayos de inmersión en un líquido; densidades o medidas de gas. La porosidad en rocas no consolidadas se determina “in situ”, o en laboratorio en este último midiendo la densidad por el método del picnómetro RECOMENDACIONES ➢ Es recomendable no dejar que la muestras se queden demasiado tiempo en el agua o el horno porque malograría el experimento . ➢ Es recomendable estar concentrado y seguro en las prácticas de laboratorio debido a que se trabaja con equipos costosos y muy peligrosos. ➢ Es necesario tener en cuenta las recomendaciones del ingeniero para nuestro mejor desempeño en las prácticas. BIBLIOGRAFIA ➢ Libro de Mecánica de rocas. Mecánica de Rocas I ……… ING. DANTE MANZANARES ➢ Libro de Excavaciones Subterráneas……………………….. HOEK AND BROWN ➢ Mecánica de Rocas - la minería……………………………… BARRINS MEINGS.
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