Javier Arzúa Touriño, doctor por la Universidad de Vigo y socio de la SEMR ha sido premiado con un accésit de la Medalla Rocha, el premio de la ISRM (Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas) que distingue la mejor tesis internacional en mecánica de rocas por su trabajo doctoral: “Study of the mechanical behaviour intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy” (estudio del comportamiento mecánico de rocas intactas y fisuradas en laboratorio con especial énfasis en la diltancia). La tesis fue seleccionada por el comité directivo de la ISRM entre 19 tesis sometidas por distintos grupos internacionales y el premio fue anunciado en el Consejo Anual de esta sociedad que ha tenido lugar en Ciudad del Cabo (Sudáfrica) el 2 de octubre de este año. Es la primera vez que un español recibe un premio en esta modalidad. La tesis completa puede descargarse en la sección de descargas.
Desde la SEMR queremos transmitir a Javier Arzúa nuestra felicitación, así como a su director de tesis, Leandro Alejano.”
RESUMEN DEL TRABAJO:
STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ROCKS IN LABORATORY WITH PARTICULAR EMPHASIS ON DILATANCY
El comportamiento post-rotura de rocas y macizos rocosos no ha sido muy estudiado en el campo de la ingeniería de rocas, en parte por la dificultad para obtener resultados fiables y en parte porque el trabajo del ingeniero suele ser prevenir la rotura. Sin embargo, para ciertas aplicaciones, es necesario obtener, o al menos estimar de la mejor manera posible, los parámetros que gobiernan este comportamiento.
Siguiendo las indicaciones de Farmer (1983), se modificó la prensa existente en el Laboratorio de Mecánica de Rocas John P. Harrison de la Universidad de Vigo, de forma que se pudiera no sólo controlar la carga axial, sino también la presión de confinamiento en los ensayos triaxiales y medir a la vez la deformación volumétrica de la probeta durante el ensayo.
Se realizaron ensayos con esta prensa completamente servo-controlada usando ocho rocas diferentes (más de 200 ensayos de compresión en total) de forma que se alcanzara el estado residual siempre que fuera posible. Además se realizaron los ensayos con ciclos de descarga y recarga, de forma que se controlara la transición desde la resistencia de pico hasta la resistencia residual y también se pudiera obtener el denominado lugar geométrico de las deformaciones irreversibles, que permite la diferenciación de las componentes elásticas y plásticas de las deformaciones axial y volumétrica de la probeta.
Con los datos de tensión y deformación de los ensayos y aplicando la formulación propuesta por Vermeer y De Borst (1984), se obtuvo la evolución del ángulo de dilatancia durante los ensayos. El ángulo de dilatancia es el parámetro más adecuado para modelizar el comportamiento dilatante de la roca y uno de los parámetros necesarios para simular el comportamiento post-rotura. El ángulo de dilatancia así obtenido para todos los ensayos se ajustó a los modelos de dilatancia variable existentes (Alejano y Alonso, 2005; Zhao y Cai, 2010a), descubriendo las debilidades y fortalezas de cada modelo y confirmando las dependencias de este parámetro (nivel de plastificación y presión de confinamiento).
En una etapa posterior y sabiendo que el ángulo de dilatancia también depende de la escala —y/o de la estructura— (Alejano y Alonso, 2005), se abordó el problema de la escala de una forma novedosa: se crearon probetas (22 probetas) de una de las rocas estudiadas previamente, atravesadas por dos familias de discontinuidades (una familia sub-horizontal, con dos discontinuidades y una familia sub-vertical con una discontinuidad). Estas probetas diaclasadas se ensayaron siguiendo la metodología anterior y se obtuvieron resultados muy relevantes que muestran tendencias marcadas —respecto a las probetas intactas— de disminución de la resistencia de pico, del módulo de Young, del módulo de descarga y del ángulo de dilatancia de pico, mientras que el coeficiente de Poisson y la resistencia residual no parecen verse afectados significativamente.
Con el objetivo de confirmar las tendencias observadas en las probetas diaclasadas, se crearon probetas con las mismas familias de discontinuidades pero con mayor densidad de fracturación (tres discontinuidades en la familia sub-horizontal y dos discontinuidades en la familia sub-vertical). Estas probetas (20 probetas más) se ensayaron siguiendo la misma metodología y se confirmaron los resultados obtenidos en la etapa anterior. Para estas probetas, además se ajustó un modelo de dilatancia variable recientemente propuesto (Walton y Diederichs, 2015a).
Para caracterizar el comportamiento post-rotura de las rocas es necesario, además de un parámetro que modele el comportamiento dilatante del material (el ángulo de dilatancia), otro modelo que ligue las deformaciones con la resistencia en esta etapa, es decir, un criterio de rotura evolutivo desde la resistencia de pico hasta la residual. Siguiendo un enfoque empírico, se ajustó una ecuación matemática a pares de puntos de tensión y deformación plástica obtenidos para cada ensayo antes, durante y después de la fase de reblandecimiento. La combinación de este modelo de la evolución de la relación entre tensión y deformación plástica con el modelo de dilatancia variable, permitió simular el comportamiento dilatante con reblandecimiento de las rocas intactas estudiadas.
Finalmente, para ilustrar las diferencias entre considerar o no una dilatancia variable, se creó un modelo numérico de un túnel profundo y se ejecutó con diferentes comportamientos post-rotura, observando las diferencias entre ellos.
Fig. 7.2. Tested samples in the lab.
Fig. 3.4. Complete stress–strain curves for Amarelo País granite for confined strength tests at different confining pressures. The most relevant tendency is for peak strength and residual strength to increase, apparent Young’s modulus to slightly increase and radial and volumetric strain to decrease as confining pressure grows.
Fig. 4.3. Typical failure mechanisms in Indiana limestone, Carrara marble, Touro amphibolite, Toral de Los Vados limestone and Noia gneiss. The inset figure (bottom middle, courtesy of Gabriel Walton) shows grain scale conjugate shearing occurring in the Carrara marble. The confining stresses that the samples were tested at are shown at the top or the bottom of each picture.
Fig. 4.8. Variations in the mobilized dilation angle for the five rocks studied (named 11, 12, 13, 14 and 15) and for other rocks types at a confining pressure of 1 MPa (after Arzúa & Alejano, 2013, with data from Zhao & Cai, 2010a).
Fig. 6.2. a) (1+2) (one sub-vertical, two sub-horizontal) jointed specimen, as studied in Chapter 5. b) (2+3) (two sub-vertical, three sub-horizontal) jointed specimen, this study. c) and d) sketches of the different relative orientations of the sub-vertical and sub-horizontal joints of the (2+3) jointed specimen, explained in the text.
Fig. 6.5. Example of complete stress-strain curves with unloading-reloading cycles of three of these specimens representative of each type (fresh –B13TRX – blue; (1+2) joints – BMD18 – red; and (2+3) joints – JBM11 – green) confined to 10 MPa. In the lower right graph together with actual volumetric-axial strain response, the irrecoverable strain locus is delineated in dotted lines.
Felicitaciones Javi. El esfuerzo da sus frutos. Un abrazo
Enhorabuena. Premio más que merecido!