Ensayo de Compresión Uniaxial en Rocas: Metodología, Factores y Propiedades Mecánicas

Ensayo de Compresión Simple en Rocas: Fundamentos y Aplicaciones

Este ensayo se utiliza para determinar la resistencia a compresión uniaxial de una probeta cilíndrica de roca, cuya altura debe estar entre el doble y el triple de su diámetro. Normalmente, estas probetas se obtienen a partir de testigos de sondeos. También es posible obtener muestras a partir de bloques de roca mediante una sonda en el laboratorio. La extracción de estos bloques, ya sea en la mina o en la obra, debe realizarse sin voladuras, dado que estas pueden generar nuevas microfisuras en la roca o aumentar las ya existentes.

Factores Influyentes en la Resistencia a Compresión Simple

Los factores que más influyen en la resistencia a compresión simple de las rocas son:

• Tamaño de grano
• Porosidad
• Meteorización
• Grado de microfisuración
• Naturaleza y resistencia del cemento que une los granos
• Densidad de la roca
• Presión y temperatura a la que ha estado sometida durante su formación

Normativa y Requisitos del Ensayo de Compresión Simple

El ensayo de compresión simple ha sido normalizado en muchos países. Los aspectos básicos de las normas existentes son los siguientes:

• Deben utilizarse probetas cilíndricas con un diámetro superior a 50 mm y, al menos, 10 veces mayor que el tamaño del grano más grande presente en la roca. Su altura debe ser aproximadamente 2,5 veces el diámetro.
• La probeta no debe contener discontinuidades geológicas que la atraviesen.
• Las superficies del cilindro de roca en contacto con las placas de la prensa deben ser planas, con una precisión de 0,02 mm, y no deben desviarse de la perpendicularidad al eje de la muestra en más de 0,001 radianes (equivalente a 0,05 mm en 50 mm).
• La carga debe aplicarse a una velocidad constante de 0,5-1 MPa/s.

Limitaciones del Ensayo y Efectos Triaxiales

Para que este ensayo fuera estrictamente de compresión simple, las tensiones dentro de la probeta deberían ser uniaxiales en todos sus puntos. Sin embargo, debido a la fricción entre la muestra y las placas de la prensa, originada por la diferencia entre los módulos elásticos de las rocas y el del acero, la probeta no puede expandirse libremente en sus extremos superior e inferior al ser comprimida. Como consecuencia, aparecen tensiones cortantes en las proximidades de las superficies de contacto entre las placas de la prensa y la probeta, lo que provoca que la tensión axial deje de ser una tensión principal y se genere un estado triaxial de tensiones en muchos puntos de la roca.

Cuanto menor es la esbeltez de la probeta (es decir, la relación altura/diámetro), mayor es la proporción de la muestra sometida a un estado triaxial de tensiones. Por este motivo, se ha establecido que, en los ensayos de compresión, la esbeltez de las probetas debe ser superior a 2.

Influencia del Volumen de la Muestra en la Resistencia

Se ha observado experimentalmente que, en probetas de esbeltez y geometría similar, la resistencia a compresión simple varía con el volumen de la muestra; generalmente, la resistencia disminuye al aumentar el volumen. La explicación de este fenómeno parece residir en la distribución, número y tamaño de las microgrietas de la roca: cuanto mayor es el tamaño de la muestra, mayor es la probabilidad de que existan microfisuras con las características apropiadas para favorecer la rotura de la roca.

Determinación de Parámetros Elásticos: Módulo de Young y Coeficiente de Poisson

Durante el ensayo de compresión uniaxial, también es posible determinar el módulo de Young y el coeficiente de Poisson de la roca. Para ello, es necesario medir las deformaciones axiales y laterales de la probeta durante el proceso de carga. Esto se realiza generalmente mediante cuatro bandas extensométricas (dos axiales y dos laterales) que se adhieren directamente sobre la roca. Las dimensiones de estas bandas deben corresponder al tamaño de grano de la roca.

El tramo de las curvas tensión-deformación axial y radial en el que deben calcularse dichos parámetros elásticos es la recta comprendida entre el final del cierre de las microfisuras y el umbral de fisuración. Teóricamente, este es el único tramo recto de los diagramas tensión-deformación axial y tensión-deformación lateral. La pendiente de la primera de estas rectas representa el módulo de Young, y la relación entre la pendiente de la segunda y la de la primera es el coeficiente de Poisson.