Método y sistema para la realización de ensayos "in situ" y caracterización de terrenos heterogéneos o macizos rocosos intensamente fracturados.

El método comprende las siguientes etapas: a) excavar una zanja; b) disponer unos medios de presión (1) en la zanja con un sistema cilindro-pistón (3); c) acoplar en el extremo del conjunto cilindro-pistón (3) una placa (9) para ejercer presión sobre el terreno; d) medir y aumentar gradualmente la presión mediante el conjunto cilindro-pistón (3), observando la deformación hasta alcanzar la rotura, y medir la deformación a intervalos de tiempo regulares. El sistema para realizar un ensayo "in situ" de este tipo de terrenos comprende un conjunto de cilindro y pistón (3) que ejerce presión en el terreno. De aplicación, entre otros, en sectores de maquinaria y equipo mecánico industrias extractivas y construcción

Método y sistema para la realización de ensayos "in situ" y caracterización de terrenos heterogéneos o macizos rocosos intensamente fracturados.

La presente invención se refiere a un método para la realización de ensayos "in situ" de terrenos heterogéneos y/o de macizos rocosos intensamente fracturados a partir de la presión ejercida en el terreno. Además, es objeto de la presente invención un sistema para realizar un ensayo "in situ" de terrenos heterogéneos y/o macizos rocosos intensamente fracturados que comprende un conjunto de cilindro y pistón que ejerce presión en el terreno.

La presente invención resulta de aplicación en los sectores en los que se diseñen, produzcan o utilicen dispositivos para la realización de ensayos sobre el terreno con el fin de obtener su caracterización, como por ejemplo el de la maquinaria y equipo mecánico, el de las industrias extractivas y el de la construcción.

Estado de la técnica

Un macizo rocoso es un medio heterogéneo y sobre todo discontinuo. Por esta razón, sus propiedades resistentes y deformacionales no pueden ser medidas directamente en laboratorio porque existe una diferencia muy apreciable entre los valores que se obtienen en los ensayos de laboratorio y los que se obtienen en los ensayos realizados "in situ". Esta diferencia es consecuencia del volumen del terreno ensayado en cada caso y es conocida como "efecto escala".

Las diferencias de resultados entre los ensayos "in situ" y los realizados en el laboratorio son especialmente importantes en el caso de macizos rocosos intensamente fracturados, donde las características de la roca intacta difieren notablemente del conjunto.

Para caracterizar el comportamiento deformacional del terreno bastan dos parámetros: coeficiente de Poisson y módulo de Young. En la actualidad se admite la hipótesis simplificadora de que el coeficiente de Poisson del macizo rocoso es el mismo que el de la roca intacta y éste sí puede ser determinado en ensayos de laboratorio (Amadei, B. Importance of anisotropy when estimating and measuring stresses in rock. Int. I. Rock Mech. Min. Sri. & Geomech. Abstr., 1996, 33(3), pp. 293-325).

Admitiendo esta hipótesis, sólo hace falta conocer el otro factor que define el comportamiento deformacional de un macizo rocoso, que es el módulo de elasticidad (E) (ISRM, Report of the Commission on Terminology, Lisbon, 1975).

Las propiedades resistentes, cohesión y fricción, se obtienen normalmente en laboratorio mediante ensayos triaxiales con pequeñas probetas, por lo que sus valores también están sujetos a los errores derivados del "efecto escala", especialmente en el caso de la fricción.

A continuación se describen los métodos más utilizados actualmente para la determinación "in situ" del módulo de Young, la cohesión y fricción.

Métodos de determinación "in situ" del módulo de Young

Los métodos de mayor interés para la determinación "in situ" de las propiedades deformacionales de un macizo rocoso son los presiométricos (Galera, J.M., Alvarez, M., Bieniawski, Z.T. "Evaluation of the deformation modulus of rock masses: comparison of pressuremeter and dilatometer tests with RMR prediction". Proceedings of the ISP5-PRESSIO 2005. París, pp. 1-25), los gatos planos (flat-jacks) (Nihat Sinan Isik, Resat Ulusay, Vedat Doyuran "Deformation modulus of heavily jointed-sheared and blocky greywackes by pressuremeter tests: Numerical, experimental and empirical assessments". Engineering Geology. Volume 101, Issues 3-4, 17 October 2008, Pages 269-282), la placa de carga (Ünal, E. "Determination of in situ Deformation Modulus: New Approaches for Plate-Loading Tests", hr. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 34. No. 6, pp. 897-915, 1997; y Pells, P. J. N. "Plate-loading tests on soil and rock". Proc. Extensión Course in situ Testing for Geotech. Investigations, Sydney, 1983, pp. 73-86) y los métodos sísmicos.

a. Ensayos presiométricos

Los ensayos presiométricos fueron introducidos por Menard (Ménard, L. "An apparatus for measuring the strength of soils in place". MSc Thesis, 1956, University of Illinois, Urbana) en los años 60. Inicialmente se aplicaron a suelos de relativamente alta deformabilidad (E<200 MPa). Las medidas de deformación se realizaban volumétricamente y tenían poca precisión, y las medidas de presión estaban limitadas a unos 2,5 MPa Posteriormente se desarrollaron equipos presiométricos, que permiten alcanzar presiones de 2 MPa con medida directa de la deformación del terreno durante el ensayo. Estos equipos han permitido extender el rango de aplicación de estos ensayos, con los aparatos llamados soft dilatometers o presiómetros unicelulares, hasta terrenos con módulos de deformación del orden de 6000 MPa.

Las limitaciones de estos ensayos se deben entre otras causas a que la porción de macizo ensayada no es, en general, representativa del conjunto, requieren la ejecución de sondeos, el material ensayado se altera debido a la maquinaria y a los fluidos utilizados en la perforación, los costes aumentan y, en muchos casos, no se pueden ensayar materiales localizados en zonas poco accesibles.

b. Flat jack

Este ensayo se realiza en las paredes de excavaciones o galerías y permite estimar el módulo de deformación del macizo y el estado tensional inicial del terreno. Se basa en colocar dos clavos separados a cierta distancia en el material a ensayar. Se mide la separación inicial entre los clavos, y se perfora una ranura entre ambos puntos de referencia. En ese momento, ambos clavos tienden a acercarse debido a la deformación inducida por la liberación de tensiones debida a la perforación de la ranura. Se mide esta deformación inmediata y también la deformación que se produce en un plazo de entre uno y tres días después. Posteriormente se introduce el flat jack en la ranura y se comienza a incrementar poco a poco la presión hasta conseguir que la separación entre clavos sea la misma que antes de practicar la ranura. Cuando se llega a la separación inicial se considera que esa presión es la inicial de la roca.

Aunque se trata de un ensayo muy útil en ciertos casos, presenta diversas limitaciones ya que requiere la ejecución de barrenos y tarda mucho en realizarse; entre uno y tres días.

c. Placa de carga

Se trata de un ensayo utilizado desde 1955 (Rocha, M., Serafim, J. L. and Silveria, A. "Deformability of foundation rocks". 5th Congress on Large Dams, Report 75, Paris, 1955) que consiste en colocar sobre el terreno una placa y aplicar sobre ella presiones conocidas a la vez que se miden los asientos que se producen. El módulo de Young se obtiene a partir de correlaciones empíricas con las dimensiones de la placa, la presión aplicada y los asientos producidos.

Se puede realizar en vertical (cuando se ensaya la solera de una galería) o en horizontal, para ensayar los hastiales. El ensayo para suelos se realiza en zanjas o sobre la superficie del terreno y se utiliza sobre todo para el estudio de cimentaciones superficiales. Su aplicabilidad está prácticamente restringida a cimentaciones en roca de elevada resistencia y para cimentacines superficiales realizadas sobre terrenos granulares.

d. Métodos sísmicos

Los módulos de deformación de los macizos rocosos también pueden obtenerse a partir de métodos sísmicos (Denver, H, Steffensen, H. "Ground moduli determined by seismic methods". Proc 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, 13-18 August 1989 VI, P215-218. Publ Rotterdam: A A Balkema, 1989; y Turesson, A. "A comparison of methods for the analysis of compressional, shear, and surface wave seismic data, and determination of the shear modulus". Journal of Applied Geophysics. Volume 61, Issue 2, February 2007, Pages 83-91). Los módulos determinados con esta técnica son módulos de deformación dinámicos. Permiten estimar la deformabilidad dinámica a partir de la velocidad de las ondas elásticas longitudinales o de la compresión (V_p) y transversales o de cizalla (V_s). La velocidad de las ondas longitudinales depende del tipo de material, de su grado de alteración y fracturación, del estado de esfuerzos y de las condiciones hidrogeológicas.

Métodos de determinación "in situ" de cohesión y fricción

Para la determinación "in situ" de la cohesión y fricción de un macizo rocoso destacan tres ensayos principalmente,...

1. Procedimiento para el ensayo "in situ" de terrenos heterogéneos y/o macizos rocosos intensamente fracturados que comprende las siguientes etapas:

a) realizar una excavación de una zanja o calicata con una distancia mínima entre las paredes a ensayar de 1,50 m;

b) disponer unos medios de presión (1) con un sistema cilindro-pistón (3), situado perpendicularmente a las paredes de la zanja, con el extremo del cilindro apoyado en una pared resistente, permitiendo la salida del pistón hasta que apoye contra la pared opuesta de la zanja y que corresponde al suelo objeto de ensayo;

c) acoplar en el extremo del conjunto cilindro-pistón (3) una placa (9) con un diámetro de entre 20 cm y 50 cm para ejercer presión sobre el terreno objeto de ensayo;

d) medir y aumentar gradualmente la presión, a una velocidad comprendida entre 0,5 MPa/s y 1 MPa/s, sobre el terreno objeto de ensayo mediante el conjunto cilindro-pistón (3), observando la deformación que se produce hasta alcanzar la rotura del mismo, y medir la deformación que se produce a intervalos de tiempo regulares.

2. Procedimiento para el ensayo "in situ" de terrenos heterogéneos y/o macizos rocosos intensamente fracturados según la reivindicación 1 que además comprende las siguientes etapas:

e) una vez conocida la presión de rotura, medir y aumentar gradualmente la presión a una velocidad comprendida entre 0,5 MPa/s y 1 MPa/s, hasta alcanzar un valor constante del 60% de la presión de rotura;

f) mantener constante la presión, un mínimo de 12 horas, y medir la deformación que se produce a intervalos de tiempo regulares hasta que la deformación no aumente en el tiempo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque la placa (9) acoplada al extremo del cilindro es de 20 cm de diámetro si el ensayo se realiza sobre macizos rocosos, de 30 cm de diámetro si el ensayo se realiza sobre carbón, lutitas o margas o de 45 cm de diámetro si el ensayo se lleva a cabo sobre rellenos antrópi- cos.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los valores de la presión ejercida por el cilindro y la deformación obtenida en el terreno en escala real de trabajo, medidos en intervalos de tiempo comprendidos entre 0,1 segundos y 2 segundos, dan lugar a la curva presión-deformación del terreno.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la curva presión-deformación del terreno anterior proporciona los parámetros de la presión de rotura del terreno, la presión residual y el valor del hincamiento del cilindro.

6. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque los valores obtenidos para la deformación del terreno a presión constante en escala real de trabajo, medidos en intervalos de tiempo de 2 segundos durante los primeros 30 minutos del ensayo y en intervalos de tiempo de 1 minuto desde el minuto 30 hasta finalizar el ensayo, dan lugar a la curva presión-deformación del terreno.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la curva presión-deformación del terreno anterior establece el análisis del comportamiento viscoelástico del terreno.

8. Sistema para realizar el ensayo "in situ" de terrenos heterogéneos y/o macizos rocosos intensamente fracturados de la reivindicación 1 que comprende:

una bomba hidráulica (2) con una presión máxima de funcionamiento de al menos de 25 MPa;

unos conductos flexibles (6) de alta presión que transmiten la presión de la bomba hidráulica (2) al conjunto cilindro-pistón (3) hidráulico;

un conjunto cilindro-pistón (3) hidráulico con una longitud total de 1,50 m y 500 mm de carrera de pistón, con un asa para el transporte y con una base plana en el extremo del cilindro, y una rótula en el extremo del pistón, al que se le une una placa (9) que transmite presión al terreno;

al menos un sensor de desplazamiento (5) del pistón de 0 a 500 mm;

al menos un sensor de presión (4) de 0 a 25 Mpa;

un sistema de captación y almacenamiento (7) continuo de datos de presión y desplazamiento, a partir de la señal eléctrica generada por los sensores de presión y de desplazamiento;

un sistema de tratamiento de los datos (8) anteriores mediante algoritmos programados en computador.

8. Sistema según la reivindicación 8 caracterizado porque el sistema de captación y almacenamiento (7) es al menos una tarjeta de adquisición de datos.