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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRÁULICA 
MECA...
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MACIZO ROCOSO COMO MATERIAL INGENIERIL 
La roca ha sido usada como material de construcción desde inicios de la civiliz...
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Según Palmstrom (1995), define que el macizo rocoso se distingue de los materiales usados en otras ingenierías por pres...
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DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUDADES
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Dominio Estructural Estructura del Macizo
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SISTEMAS DE ESTRUCTURAS
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CARACTERIZACIÓN DE 
AFLORAMIENTOS
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Descripción de las discontinuidades
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Espaciado: Distancia perpendicular entre dos fracturas de un mismo siste...
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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CRITERIOS DE MOHR – COULOMB 
Fue propuesto por primera vez por Coulomb en el año 1773, inicialmente pensado para el es...
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Resistencia de los Macizos Rocosos
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Teorías de Falla o Criterios de Rotura 
En el curso se tratarán varios criterios para definir el fallamiento de una ro...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
El estudio de la fricción es de importancia fundamental en el estudio de la...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
Considerando la ley de los estados de los esfuerzos de corte, que son neces...
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Para las superficies rocosas en contacto, se ha encontrado que la relación dada por la ecuación anterior tiene que ser...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
Para esfuerzos normales de mayor magnitud la constante S es incorporada par...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
Los tres casos discutidos anteriormente, se muestran en el diagrama concept...
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σ 
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 = s + σ 
 = s + 2 σ 
 = 1 σ 
 = σ 
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La Fricción 
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1.Deslizamiento sobre el plano entre las superficies en contacto.  = σ 
2. Deslizamiento entre los...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
1.Propiedades Físicas y Geomecánicas de los materiales (tipos de uniones de...
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CRITERIO DE FALLA DE 
HOEK & BROWN
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
Criterio De Falla de HOEK & BROWN 
Este criterio de falla es empírico basad...
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√ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 
RESUMEN 
Uno de los problemas principales ha sido la determinación de resis...
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CRITERIO DE FALLA DE HOEK & BROWN
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ENSAYOS GEOTECNICOS
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Ensayos Geotécnicos 
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La aplicación de la Mecánica de rocas es de importancia fundamental, para ...
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√ Ensayos Geotécnicos 
Las propiedades mecánicas caracterizan la reacción de las rocas frente a la aplicación de un ca...
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Densidad Porosidad Absorción Peso especifico aparente 
Propiedades Físicas 
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Para determinar las...
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Propiedades de la Resistencia de la Roca 
En todo diseño de excavaciones o cualquier obra ingen...
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Propiedades de la Resistencia de la Roca 
•Resistencia interna de las partículas minerales indi...
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La resistencia de la roca puede determinarse tanto en especímenes de roca intacta en el laborat...
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√ Ensayos Geotécnicos 
Sonda Sacatestigos de Rocas
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Cortadora Diamantina 
Testigos para Ensayos
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Ensayo de Compresión Uniaxial
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Tiene por finalidad medir la resistencia a la compresión uniaxial de una muestra de roca en for...
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Equipo de Compresión Uniaxial 
El equipo para el Ensayo de Carga Puntual, consiste en un equipo...
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√ Ensayos Geotécnicos 
También, se puede decir que, este ensayo consiste en 
aplicar cargas compresivas axiales cada v...
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√ Ensayos Geotécnicos 
Protodyakonov 
Propuso que para aproximar los resultados 
obtenidos a los estándares de L/D = 2...
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√ Ensayos Geotécnicos 
Teóricamente, el ángulo 
(β) formado entre el plano 
de fractura y la dirección 
del esfuerzo p...
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√ Ensayos Geotécnicos 
RESISTENCIA EN COMPRESION UNIAXIAL
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Ensayo de Compresión Triaxial
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En todo tipo de situaciones, por lo general la roca se encuentra confinada a tensiones triaxial...
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La máxima carga axial y la presión de confinamiento servirán para graficar los correspondientes...
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√ Ensayos Geotécnicos
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Ensayo de Cizallamiento Directo o Corte Directo
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Casi siempre la roca falla a través de las diaclasas o planos de debilidad. Cuando una roca se ...
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MAQUINA DE CORTE DIRECTO En esta maquina portátil se ejecuta el ensayo de corte directo sobre d...
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Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero)
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Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero) 
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D = Diámetro de la probeta 
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P 
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Diseño del Ensayo de Tracción Indirecta Método Brasilero
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ESTABILIDAD DE TALUDES E INESTABILIDADE DE TALUDES 
ROTURAS EN PLANARES ROTURAS EN CUNAS ROTURAS EN CUÑAS
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Capitulo i mecanica de rocas

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Capitulo i mecanica de rocas

  1. 1. 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRÁULICA MECANICA DE ROCAS ING. FRANKLIN R. MONTOYA TOROVERERO Cajamarca, Septiembre 2014
  2. 2. 2 MACIZO ROCOSO COMO MATERIAL INGENIERIL La roca ha sido usada como material de construcción desde inicios de la civilización. Se conoce que hace 4000 A.C. la Ingeniería de Rocas se aplicaba en el laboreo manual con herramientas rudimentarias, excavándose rocas calizas y rocas blandas para ser utilizadas como habitat o refugio de los antiguos pobladores. Desde 1850 se comenzó a utilizar técnicas de perforación y voladura para la excavación de túneles en EEUU.
  3. 3. 3 Según Palmstrom (1995), define que el macizo rocoso se distingue de los materiales usados en otras ingenierías por presentar discontinuidades (fracturas, diaclasas, planos de estratificación, fallas, etc), las cuales controlan el comportamiento ingenieril. Según Pusch (1995), la Ingeniería de Rocas es una de las especializaciones que mas trata con indeterminaciones e incertidumbres, quizás debido a la naturaleza de las condiciones geológicas y de los parámetros geotécnicos Como material Ingenieril, un macizo rocoso debe ser IDENTIFICADO, DESCRITO, CARACTERIZADO y CLASIFICADO.
  4. 4. 4 DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUDADES
  5. 5. 5
  6. 6. 6
  7. 7. 7
  8. 8. 8
  9. 9. 9
  10. 10. 10 Dominio Estructural Estructura del Macizo
  11. 11. 11 SISTEMAS DE ESTRUCTURAS
  12. 12. 12 CARACTERIZACIÓN DE AFLORAMIENTOS
  13. 13. 13
  14. 14. 14
  15. 15. 15 Descripción de las discontinuidades
  16. 16. 16
  17. 17. 17
  18. 18. 18
  19. 19. 19
  20. 20. 20
  21. 21. 21
  22. 22. 22
  23. 23. 23 Intemperismo: Grado de alteración de la roca. Espaciado: Distancia perpendicular entre dos fracturas de un mismo sistema. Persistencia: Cuan grande es la fractura. Rugosidad Ondulación: Grado de sinuosidad de la fractura. Aspereza: Presencia de picos Resistencia: Resistencia al cizallamiento y la Deformabilidad. Abertura: Distancia entre las paredes de la fractura. Relleno: Material alojado en la abertura. Flujo : Permeabilidad primaria y/o secundaria Características de las discontinuidades
  24. 24. 24
  25. 25. 25
  26. 26. 26
  27. 27. 27 Resistencia de los Macizos Rocosos
  28. 28. 28 Resistencia de los Macizos Rocosos
  29. 29. 29 Resistencia de los Macizos Rocosos
  30. 30. 30 Resistencia de los Macizos Rocosos
  31. 31. 31 Resistencia de los Macizos Rocosos
  32. 32. 32 CRITERIOS DE MOHR – COULOMB Fue propuesto por primera vez por Coulomb en el año 1773, inicialmente pensado para el estudio en suelos, siendo un criterio lineal. Esto significa que la ecuación que define la superficie de fluencia es una línea recta. Para el criterio, se define la rotura en función de la tensión tangencial y la tensión normal en un plano.
  33. 33. 33 Resistencia de los Macizos Rocosos
  34. 34. 34 Teorías de Falla o Criterios de Rotura En el curso se tratarán varios criterios para definir el fallamiento de una roca; el término criterio es usado en forma muy genérica desde que en el macizo rocoso muy poco se conoce de los mecanismos de deformación y fallamiento, entonces es casi imposible aplicar una sola teoría, la cual pueda abarcar a todos los tipos de rocas y todos los estados de los materiales rocosos
  35. 35. 35 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura El estudio de la fricción es de importancia fundamental en el estudio de la mecánica de rocas, la cual ocurre en todas las escalas. I.A escala microscópica la fricción actúa activamente entre las superficies de las fisuras muy pequeñas de las rocas II.A escala de relativa mayor magnitud, ocurre entre los granos individuales o ciertos materiales de agregados. III.En discontinuidades, en las cuales las áreas pueden ser muy grandes. La Fricción
  36. 36. 36 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura Considerando la ley de los estados de los esfuerzos de corte, que son necesarios para iniciar el deslizamiento entre dos planos superficiales que están en contacto, se cumple lo siguiente: La Fricción  = σ →(1) Donde:  = Esfuerzo de corte  = coeficiente de fricción, el cual es normalmente una constante σ = Esfuerzo normal actuando sobre el plano
  37. 37. 37 Para las superficies rocosas en contacto, se ha encontrado que la relación dada por la ecuación anterior tiene que ser modificada para tomar en cuenta las asperezas las cuales ocurren en dichas superficies; entonces la ecuación (1) se convierte en:  = s + σ →(2) Donde:  = Esfuerzo de corte  = coeficiente de fricción, el cual es normalmente una constante σ = Esfuerzo normal actuando sobre el plano S = constante, y es la resistencia de corte inherente de la superficie de contacto. Esta variable corresponde al termino cohesión. La Fricción √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  38. 38. 38 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura Para esfuerzos normales de mayor magnitud la constante S es incorporada para tomar en cuenta las irregularidades a través de los planos de corte en las superficies de contacto. Para esfuerzos normales de poca magnitud el valor de  es incrementado para tomar en cuenta el deslizamiento de las superficies sobre las discontinuidades. En este caso la constante S = 0 Se tendrá entonces las siguientes ecuaciones: La Fricción
  39. 39. 39 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura Los tres casos discutidos anteriormente, se muestran en el diagrama conceptual siguiente: Con el esfuerzo de corte  necesario para iniciar el deslizamiento como una función del esfuerzo normal σ. La Fricción
  40. 40. 40 σ 0   = s + σ  = s + 2 σ  = 1 σ  = σ 1 3 2 s La Fricción √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura Los tres casos discutidos anteriormente, se muestran en el diagrama conceptual siguiente: Con el esfuerzo de corte  necesario para iniciar el deslizamiento como una función del esfuerzo normal σ.
  41. 41. 41 σ  σ   σ 1.Deslizamiento sobre el plano entre las superficies en contacto.  = σ 2. Deslizamiento entre los planos de las superficies de contacto con asperezas  = s + σ 3. Deslizamiento entre los planos de contacto con irregularidades Esfuerzos normales de poca magnitud:  = 1σ Esfuerzos normales de mayor magnitud:  = s + 2 σ
  42. 42. 42 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura 1.Propiedades Físicas y Geomecánicas de los materiales (tipos de uniones de las estructuras) 2. Condiciones de carga (Trayectoria, rango y duración) 3. Ambiente (temperatura, humedad, fluidez a través de los poros) Factores que Afectan la Resistencia
  43. 43. 43 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura CRITERIO DE FALLA DE HOEK & BROWN
  44. 44. 44 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura Criterio De Falla de HOEK & BROWN Este criterio de falla es empírico basado en las observaciones de los estados de esfuerzos principales biaxial/triaxial, y las condiciones de falla de compresión no confinadas de la roca. Este criterio relaciona las condiciones limitantes de las fallas de las rocas en términos de los componentes de los esfuerzos principales, en lugar de las condiciones de los esfuerzos normales y de corte, modelados por los criterios de Mohr y Coulomb.
  45. 45. 45 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura RESUMEN Uno de los problemas principales ha sido la determinación de resistencias equivalentes, en términos de cohesión y ángulos de fricción, que satisfagan las demandas de software programado en términos de criterio de falla de Mohr-Coulomb. Este trabajo trata de resumir la interpretación del criterio de falla de Hoek-Brown en los mejores resultados de la ingeniería práctica.
  46. 46. 46 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura CRITERIO DE FALLA DE HOEK & BROWN
  47. 47. 47 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  48. 48. 48 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  49. 49. 49 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  50. 50. 50 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  51. 51. 51 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  52. 52. 52 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  53. 53. 53 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  54. 54. 54 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  55. 55. 55 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  56. 56. 56 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura
  57. 57. 57
  58. 58. 58 √ Teorías de Fallas o Criterios de Rotura ENSAYOS GEOTECNICOS
  59. 59. 59 Ensayos Geotécnicos √ Ensayos Geotécnicos La aplicación de la Mecánica de rocas es de importancia fundamental, para solucionar los diversos problemas que se presentan en los diversos macizos rocosos. Debe considerarse el comportamiento de la roca in-situ, y la interrelación entre las discontinuidades geológicas, las características tensión-deformación y sus propiedades geomecánicas del macizo rocoso, como la resistencia a tracción y a compresión simple.
  60. 60. 60 √ Ensayos Geotécnicos Las propiedades mecánicas caracterizan la reacción de las rocas frente a la aplicación de un campo de fuerzas y dependen de: La naturaleza del macizo rocoso Los defectos de la roca La metodología del ensayo. Las propiedades mas importantes del macizo rocoso que deben ser estudiadas cuando se diseñan estructuras de cimentación y excavaciones subterráneas, son: Dureza, Elasticidad, Propiedades de resistencia de la roca
  61. 61. 61 Densidad Porosidad Absorción Peso especifico aparente Propiedades Físicas √ Ensayos Geotécnicos Para determinar las principales propiedades mecánicas de las rocas y del macizo rocoso, se deben realizar los siguientes ensayos de Laboratorio. compresión uniaxial compresión triaxial corte directo carga puntual rebote con martillo schmidt tracción método brasilero constantes elásticas, etc. Propiedades Mecánicas
  62. 62. 62 √ Ensayos Geotécnicos Propiedades de la Resistencia de la Roca En todo diseño de excavaciones o cualquier obra ingenieril, se determinan las constantes elásticas y las propiedades de resistencia de la roca. Aparte de la composición mineralógica, dureza de los minerales y la durabilidad de la roca; existen otros factores que afectan las propiedades mecánicas del macizo rocoso, entre los cuales tenemos :
  63. 63. 63 √ Ensayos Geotécnicos Propiedades de la Resistencia de la Roca •Resistencia interna de las partículas minerales individuales •Orientación de los cristales y granos minerales en relación a la carga aplicada y subsecuente deformación lateral y deslizamiento (especialmente en lutitas y pizarras) •Defectos de las rocas, tales como diaclasas, fracturas, grietas y poros •Grado de saturación •Tensión in-situ •Metodología del ensayo
  64. 64. 64 √ Ensayos Geotécnicos La resistencia de la roca puede determinarse tanto en especímenes de roca intacta en el laboratorio como en ensayos in situ. Los principales ensayos en el Laboratorio de Mecánica de Rocas, son: 1.Resistencia compresiva * Resistencia a la compresión uniaxial * Resistencia a la compresión triaxial 2.Ensayo de cizallamiento directo 3.Resistencia a la tracción 4.Resistencia a la flexión 5.Resistencia a la torsión
  65. 65. 65 √ Ensayos Geotécnicos Sonda Sacatestigos de Rocas
  66. 66. 66 √ Ensayos Geotécnicos Cortadora Diamantina Testigos para Ensayos
  67. 67. 67 √ Ensayos Geotécnicos Ensayo de Compresión Uniaxial
  68. 68. 68 √ Ensayos Geotécnicos Tiene por finalidad medir la resistencia a la compresión uniaxial de una muestra de roca en forma de testigos cilíndricos de geometría regular. El ensayo es principalmente orientado a la clasificación de rocas de acuerdo a su resistencia compresiva y caracterización de la roca intacta. La resistencia a la compresión es normalmente definida como el esfuerzo necesario para romper un espécimen cilíndrico de roca sin confinamiento lateral. Ensayo de Compresión uniaxial
  69. 69. 69 √ Ensayos Geotécnicos Equipo de Compresión Uniaxial El equipo para el Ensayo de Carga Puntual, consiste en un equipo hidráulico portátil, con un bastidor de carga de gran rigidez y unos punzones cónicos fácilmente ajustables a las dimensiones del espécimen de roca a ensayar.
  70. 70. 70 √ Ensayos Geotécnicos También, se puede decir que, este ensayo consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a probetas cilíndricas de relaciones L/D = 2, hasta producir su rotura. La resistencia a compresión simple σC (denominada también uniaxial o no confinada) esta dad por: (25) 4 2    D P C   Donde: P = Carga ultima (rotura) D = Diámetro de la probeta
  71. 71. 71 √ Ensayos Geotécnicos Protodyakonov Propuso que para aproximar los resultados obtenidos a los estándares de L/D = 2 se aplique la siguiente relación matemática: (26) 7 2 8 0     L D C   σ0 = Resistencia compresiva uniaxial con L/D =2 σc = resistencia compresiva uniaxial con L/D  2 D = Diámetro de la probeta L = Longitud de la probeta
  72. 72. 72 √ Ensayos Geotécnicos Teóricamente, el ángulo (β) formado entre el plano de fractura y la dirección del esfuerzo principal es relacionado con el ángulo de fricción interna (Ø) por medio de la siguiente expresión matemática: 2 45º     Por tanto el ángulo de fractura es una medida del coeficiente de fricción interna de la roca.
  73. 73. 73 √ Ensayos Geotécnicos RESISTENCIA EN COMPRESION UNIAXIAL
  74. 74. 74 √ Ensayos Geotécnicos Ensayo de Compresión Triaxial
  75. 75. 75 √ Ensayos Geotécnicos En todo tipo de situaciones, por lo general la roca se encuentra confinada a tensiones triaxiales. Este ensayo tiene por finalidad conseguir la condición de falla, para un estado de tensiones definido. Cuando se diseñe obras de ingeniería o excavaciones superficiales o subterráneas en ciertas estructuras rocosa, se tendrá que combinar esfuerzos  -  , para que el diseño se encuentre en zona segura, estimándose finalmente un cierto factor de seguridad. Este ensayo permite obtener otros parámetros importantes de la roca, como: El ángulo de fricción interna (Øi) y la cohesión de roca intacta (S0)
  76. 76. 76 √ Ensayos Geotécnicos La máxima carga axial y la presión de confinamiento servirán para graficar los correspondientes círculos de Mohr, a partir de los cuales se podrá trazar la curva envolvente, determinándose el ángulo de fricción interna y la cohesión de la roca intacta.
  77. 77. 77 √ Ensayos Geotécnicos En la Foto se aprecia a una maquina de compresión de rocas, consta de tres partes importantes, al lado derecho un tablero de control de carga; caracterizada por su capacidad de carga en este caso la maquina tiene una capacidad de 100 Tn. métricas, en el centro se ubica la parte de la maquina donde se ejecutan los ensayos, caracterizado por dos columnas con roscado sin fin y un puente con sus respectivos platos para ejecutar el ensayo y en la parte izquierda se encuentra un tablero donde se encuentra los manómetros y llaves para ejecutar el ensayo Triaxial, con su respectivo compresor, esta maquina se caracteriza por que usa corriente eléctrica trifásica.
  78. 78. 78 √ Ensayos Geotécnicos
  79. 79. 79 √ Ensayos Geotécnicos
  80. 80. 80 √ Ensayos Geotécnicos Ensayo de Cizallamiento Directo o Corte Directo
  81. 81. 81 √ Ensayos Geotécnicos Casi siempre la roca falla a través de las diaclasas o planos de debilidad. Cuando una roca se encuentra confinada o sujeta a tensiones en varias direcciones, dichas tensiones pueden descomponerse en dos direcciones principales: Una normal a la superficie potencial de falla y la otra tangencial a la superficie. Este ensayo tiene por finalidad reproducir en el laboratorio aproximadamente lo que ocurre en la roca in situ, de tal forma que se pueda evaluar entre que rangos varia el ángulo de fricción residual para un tipo de roca determinado.
  82. 82. 82 √ Ensayos Geotécnicos B B      A A  = Esfuerzo normal  = Esfuerzo de corte  = Desplazamiento A = Tapa o molde de concreto B = Testigo de roca Diseño del Ensayo de Corte Directo
  83. 83. 83 √ Ensayos Geotécnicos MAQUINA DE CORTE DIRECTO En esta maquina portátil se ejecuta el ensayo de corte directo sobre discontinuidades, cuyo objetivo es la determinación de los parámetros friccionantes : Cohesión “c” y ángulo de fricción “øi” básica y residual. En esta foto, se puede apreciar la maquina de corte directo, constituida por dos gatas hidráulicas, una caja metálica para los moldes de concreto, con sus respectivos accesorios.
  84. 84. 84 √ Ensayos Geotécnicos Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero)
  85. 85. 85 √ Ensayos Geotécnicos Ensayo de Tracción Indirecta (Método Brasilero) El ensayo consiste en someter a una probeta cilíndrica (disco de roca) a una carga lineal compresiva actuando a lo largo de su diámetro. El resultado de este esfuerzo compresivo, es una tensión horizontal y un esfuerzo compresivo variable, la muestra se puede romper separándose en dos mitades, según el eje de carga diametral, se han utilizado relaciones longitud/diámetro (L/D) ≈ 0,5 La resistencia a la tracción σt obtenido por este método indirecto esta dada por la relación:
  86. 86. 86 √ Ensayos Geotécnicos (24) 2    DL P t   Donde: P = Carga de rotura D = Diámetro de la probeta L = Longitud de la probeta
  87. 87. 87 P P Diseño del Ensayo de Tracción Indirecta Método Brasilero
  88. 88. 88 √ Ensayos Geotécnicos
  89. 89. 89 ESTABILIDAD DE TALUDES E INESTABILIDADE DE TALUDES ROTURAS EN PLANARES ROTURAS EN CUNAS ROTURAS EN CUÑAS
  90. 90. 90
  91. 91. 91
  92. 92. 92
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