Implantación, realización e interpretación de ensayos de compresión y permeabilidad en mecánica de rocas

Resumen

En el Laboratorio JPH de mecánica de rocas de la Universidad de Vigo, se disponía de un marco de compresión para realizar ensayos de resistencia de rocas en el que se habían implementado algunos elementos para poder realizar medidas indirectas de deformación y control de volúmenes en las celdas de Hoek. En 2017, se adquiere un nuevo marco de compresión realizado por la compañía SERVOSIS SL, de doble efecto (permite el control de la carga y de la descarga) y que incluye un doble sistema de bombas. El autor de esta tesis estuvo implicado en la puesta en marcha de dicho sistema, en la realización de ensayos variados aprovechando las potencialidades del mismo, así como en la interpretación y desarrollo de algunos avances en la comprensión y simulación de los mismos. Diversas investigaciones pusieron de manifiesto una serie de discrepancias entre las medidas de deformación de laboratorio con los distintos medios disponibles y las deformaciones reales que sufre la probeta durante el ensayo. En estos ensayos se pueden tomar medidas de deformación directamente de la probeta mediante galgas extensométricas pegadas a estas (internas) y mediante medidores mecánicos, en particular LVDTs (transductor de desplazamiento lineal variable), que miden deformaciones entre dos puntos prefijados (externas), por ejemplo, entre las dos placas de la prensa de compresión. Existen otras posibles, por ejemplo, mediante correlación digital de imágenes (DIC). Las primeras (galgas), capturan el comportamiento de la probeta de una manera más fiel en la fase elástica, pero en la medida en que se producen roturas, las galgas se despegan o quedan en elementos separados por zonas rotas, con lo que estas medidas son inválidas en la post-rotura. Las segundas llevan consigo errores relevantes en la fase pre-pico, pues parte de la deformación medida ocurre en los contactos entre la probeta y las placas, o entre separadores. Por tanto, estas formas de medir diferentes se traducen en medidas distintas. En esta tesis se estudia la naturaleza de estas medidas y las diferencias existentes entre ellas. Se propone además un método de corrección de las medidas externas (tomadas mediante LVDT), para obtener las internas en la fase de ensayo pre-pico, basado en el porcentaje de la energía transmitida que alcanza a la probeta. Este método permite, a partir de varios ensayos con ambas medidas, corregir las medidas externas en una serie de ensayos para el caso uniaxial. Así, en el artículo 1, ―Correcting indirect strain measurements in laboratory uniaxial compressive testing at various scales― se comentan las diferencias encontradas entre los distintos métodos de medida de la deformación durante la realización de los ensayos de compresión simple y se propone y demuestra la calidad del método de corrección de las medidas de la deformación. En línea con lo desarrollado en el primer artículo, se presenta en el artículo 2 ―Method to Correct Indirect Strain Measurements in Laboratory Uniaxial and Triaxial Compressive Strength Tests― una revisión y extensión del método de ajuste propuesto en su aplicación al caso de los ensayos triaxiales en muestras de roca graníticas, en los que no se puede medir la deformación radial mediante LVDT, por lo que hay que estimarla indirectamente a partir de la variación del volumen de fluido en la celda de Hoek a lo largo de la realización del ensayo. Se presenta un método de corrección con el que se obtienen unos resultados aceptables para una serie de ensayos en probetas de granito, aportando así, mejoras sobre la capacidad de análisis de los ensayos de compresión simple y triaxial. Continuando con el análisis de resultados de ensayos traixiales, se expone un estudio sobre el efecto de escala de estos ensayos, realizado con muestras de granito intacto en tamaños comprendidos entre los 30 y los 84 mm de diámetro. Para ello, se ha diseñado y construido una celda de Hoek con sus correspondientes manguitos, rótulas y punzones, para las probetas de 84 mm de diámetro. Los resultados muestran que los efectos de escala sobre la resistencia de pico tienden a mitigarse para las muestras sometidas a confinamientos elevados, mientras que para la resistencia residual no se observa un efecto de escala apreciable. Adicionalmente, en base al montaje de los ensayos de compresión triaxial, se ha diseñado un método para obtener de forma más o menos sencilla el valor de la permeabilidad de muestras de roca fisurada o rocas permeables. El método de ensayo propuesto, basado en cuantificar el agua que pasa con un gradiente hidráulico fijo (pesándola a la salida) a través de una probeta sometida a compresión triaxial, se presenta como una herramienta de utilidad en el apoyo a estudios en el campo de las obras subterráneas, de yacimientos de hidrocarburos, en el ámbito de la geotermia o en el análisis del comportamiento hidromecánico de los macizos rocosos. Estos ensayos se han realizado utilizando las dos bombas del sistema, una para regular el confinamiento de la celda de Hoek y otra para inyectar el agua en la probeta. Los resultados obtenidos en dicho estudio están publicados en el artículo 3, ―Methodology to estimate permeability in porous and fissured rock specimens at laboratory scale― en el que se describe el método de ensayo, mostrando la validez del método al compararlo con ensayos tipo Klinkenberg. También se ha mostrado la gran permeabilidad de las fisuras generadas por tracción en relación con las fisuras planas creadas por corte con sierra de disco. Posteriormente, se llevó a cabo la simulación numérica de los ensayos triaxiales antes mencionados, a varias escalas, mediante el código de partícula PFC3D, basado en el método de elementos discretos (MED). En dicho estudio se analizan los valores de tensión máxima de rotura y tensión residual obtenidos en la simulación de los ensayos de compresión triaxial para los mismos tamaños de probeta que los ensayados en el laboratorio. Los modelos numéricos de las probetas se realizaron siguiendo dos tipos de empaquetamiento para las partículas: uno, manteniendo constante el tamaño de partícula, y el otro, manteniendo constante la resolución de partícula. Los resultados obtenidos indican que el método de resolución constante puede reflejar la perdida de resistencia a medida que aumenta el tamaño de las muestras, en línea con los estudios experimentales de escala en la resistencia de las rocas. Adicionalmente, tanto los resultados de laboratorio como los modelos numéricos permiten concluir que, en general, la resistencia residual de las muestras de roca de diferentes tamaños tiende a ser independiente de la escala de las mismas. Los resultados y conclusiones de esta parte del estudio acaban de ser presentados en forma de artículo a una revista referenciada. En conclusión, se ha mejorado significativamente la capacidad de realización de ensayos de mecánica de rocas en el laboratorio incluyendo ensayos de permeabilidad, se han desarrollado técnicas avanzadas de interpretación de ensayos y corrección de deformaciones y se han propuesto enfoques de simulación de códigos de partícula capaces de reproducir razonablemente resultados de laboratorio. Los resultados obtenidos durante los trabajos de investigación, se presentaron en distintos congresos y revistas. Tres artículos han sido publicados en revistas indexadas en el Journal Citation Reports, lo que habilita para la presentación de esta tesis.