Mecanismo de inicio de la rotura en material de comportamiento frágil bajo condiciones traccionales

Résumé

La caracterización de la resistencia a tracción en materiales frágiles y, particularmente, en rocas, es de gran importancia para múltiples aplicaciones en ingeniería geotécnica, tales como excavaciones subterráneas, fracturación hidráulica, voladuras y otros procesos de fracturación que ocurren a nivel industrial, como sucede durante el labrado de las pizarras de techar. Sin embargo, la determinación de la resistencia a tracción por métodos directos es complicada, dada la dificultad de reproducir fielmente en laboratorio condiciones de tracción uniaxial. Por ello, en la práctica experimental, la resistencia a tracción se calcula empleando métodos indirectos, entre los que destaca el ensayo Brasileño o ensayo de compresión diametral, ampliamente debatido en la comunidad científica puesto que el valor que deriva del ensayo difiere del obtenido de manera directa. Para clarificar las incertidumbres de dicho ensayo y mejorar la caracterización, debe comprenderse perfectamente cómo rompe el material durante el ensayo, qué esfuerzos causan la rotura, y dónde se inicia la misma. Estos aspectos suponen el principal objetivo del presente trabajo de tesis, estructurado en tres bloques. En el primer bloque se estudia en qué medida el inicio de la rotura en muestras ensayadas con el método brasileño está condicionado por parámetros relacionados con la propia configuración del ensayo y condiciones de contorno (tipo de presión de carga, tensiones friccionales) y parámetros relacionados con propiedades resistentes del material y el criterio de rotura empleado. Los resultados demuestran que el ángulo de contacto en el área de carga juega un papel esencial en el punto de inicio de la rotura. Una vez interpretado el inicio de la rotura en el ensayo Brasileño, en el segundo bloque se muestra la posibilidad de ampliar el uso de este método, concretamente para establecer distintos estados tensionales límite y precisar de los criterios de rotura de materiales frágiles. Finalmente, en el tercer bloque se propone un nuevo dispositivo diseñado por el Grupo de Ingeniería del Terreno (G.I.T.) de la Universidad de Oviedo, para determinar la resistencia a tracción en material frágil, y que podría complementar a los métodos de caracterización ya conocidos bajo un régimen traccional. Por tanto, el presente trabajo aspira a contribuir en la mejora de la determinación de las propiedades resistentes de los materiales rocosos bajo condiciones traccionales. Para ello, se llevaron a cabo estudios a nivel analítico y de modelado numérico, validados experimentalmente en laboratorio, y cada uno de estos bloques es estudiado tanto en material elástico, homogéneo e isótropo, como en material constituido por múltiples planos de debilidad.