Notas de caracterização de rochas MMSEG - PGAE1 - 2005

Viana da Fonseca (FEUP) 2005 SOBRE A CARACTERIZAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS A caracterização geomecânica de maciços rochosos, depende manifestamente da caracterização dos elementos individuais que constituem este conjunto discreto. È, por sisso, fundamental, para definir o modelo geomecânico do maciço, recorrer a ensaios (particularmente laboratoriais) sobre provetes e planos de descontinuidades cujas técnicas de se resumem no que se segue. Ensaios Laboratoriais Elementares em Mecânica das Rochas Os ensaios de laboratório podem ser efectuados sobre amostras de mão recolhidas no local (pedreira ou terreno), ou sobre provetes preparados a partir de testemunhos de sondagem. A selecção das amostras a ensaiar deve ser realizada atendendo a que estas devem permitir: • Avaliar as características mecânicas das várias litologias presentes no maciço, bem como das descontinuidades que lhes estão associadas, com o objectivo de zonar o maciço; • Correlacionar os dados obtidos nos ensaios in situ com as características das rochas ensaiadas em laboratório. Os ensaios laboratoriais que podem ser utilizados para caracterizar a rocha existente no maciço rochoso, com vista à abertura de uma estrutura subterrânea, túnel os grande escavação, e os resultados que deles se podem obter, podem ser vistos no Quadro 1. Quadro 1 - Acções a desenvolver e resultados a obter com a realização dos ensaios laboratoriais. CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA ACTIVIDADE ACÇÕES/MEIOS RESULTADOS A OBTER Ensaios laboratoriais Ensaios dinâmicos Compressão uniaxial simples Compressão triaxial Resistência à flexão Ensaio brasileiro Ensaio de deslizamento de descontinuidades Informações sobre as propriedades geomecânicas das rochas e das descontinuidades que constituem a jazida Módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson dinâmicos Resistência à compressão uniaxial Coesão e ângulo de atrito da rocha Resistência à flexão Resistência à tracção Coesão e ângulo de atrito das descontinuidades presentes em cada litologia Viana da Fonseca (FEUP) 2005 A informação obtida nos ensaios laboratoriais deve complementar os resultados dos ensaios in situ, no sentido de possibilitar a definição de um ou vários modelos de comportamento do maciço rochoso, me função das suas características geológicas e geomecânicas. Os resultados dos ensaios laboratoriais a realizar sobre amostras, quer de sondagens, quer de mão, não podem ser directamente utilizados na caracterização do maciço rochoso sem que sejam ajustados à escala devida, uma vez que estes resultam do estudo feito sobre amostras reduzidas dimensões quando comparadas com o maciço rochoso em estudo. Compressão uniaxial simples Este ensaio deve ser realizado sobre um provete cilíndrico, de altura superior ou igual a duas vezes o seu diâmetro, com topos perpendiculares ao eixo onde se aplica a força. Para realizar o ensaio deve-se colocar o provete no centro do prato da prensa e aplicar sobre este uma força axial P que o levará à rotura. Na Figura 1 é possível observar o equipamento utilizado neste tipo de ensaio, bem como os parâmetros que se podem estudar com o mesmo. A. Prensa que permite realizar o ensaio de compressão uniaxial simples equipada com gaiola Stopani para determinação do módulo de elasticidade e do coeficiente de Poisson (Laboratório de Geomecânica do IST). B. Parâmetros a estudar durante a realização de um ensaio de compressão uniaxial simples Figura 1 - Equipamento para realizar o ensaio de compressão uniaxial simples e parâmetros a determinar. Viana da Fonseca (FEUP) 2005 Através da medição das deformações longitudinais obtém-se a curva tensão-deformação da rocha a ensaiar, apresentada na Figura 1, a partir da qual se determina o módulo de elasticidade (E). Por sua vez, o coeficiente de Poisson (ν) é estimado através da análise da variação das deformações transversais e longitudinais, para os diferentes valores de tensão aplicados ao provete, utilizando a fórmula respectiva também apresentada na Figura 1. É ainda possível determinar a resistência à compressão uniaxial (σ c ) que é dada pelo quociente entre o valor da força na rotura e a área da base do cilindro ensaiado. Na determinação do módulo de elasticidade de rochas é usual utilizar vários ciclos de carga descarga, em que o primeiro tem como objectivo ajustar o provete ao sistema de carga, enquanto os restantes permitem determinar esse parâmetro. Entre cada trajecto de carga e descarga deve-se esperar um certo tempo (cerca de 15 minutos) para verificar se existem comportamentos inelásticos das rochas (Mendes, 1985). Os parâmetros a estimar com a realização deste ensaio, atendendo à Figura 1, são determinados do seguinte modo: Resistência à Compressão Simples (σ σσ σ c ) − é determinada levando o provete à rotura e registando o valor da carga máxima atingida. O valor de σ c é calculado dividindo a carga máxima (P) pela área da base do provete ensaiado (Área), tal como se apresentou na fórmula correspondente da Figura 1. Módulo de Elasticidade (E) e Coeficiente de Poisson (ν νν ν) − são determinados com base na curva de carga-descarga, geralmente até valores de 50% da carga de rotura, e recorrendo às fórmulas respectivas apresentadas na Figura 1. Para isso deve-se conhecer previamente a tensão máxima de rotura da rocha. Os ensaios de compressão uniaxial permitem estudar o efeito de escala na resistência à compressão das rochas. Segundo estudos de Bieniawski (1969) sobre provetes cúbicos de diferentes dimensões (arestas diferentes), verificou-se que a resistência à compressão diminuía até ao cubo de aresta 1,5m e que a partir dessa dimensão a resistência à compressão mantinha-se praticamente constante com o aumento da dimensão do cubo, tal como se pode observar na Figura 2. Viana da Fonseca (FEUP) 2005 Figura 2 - Variação da resistência à compressão com a dimensão do provete de acordo com os estudos realizados por Bieniawski numa mina de carvão Sul-Africana. (adaptado de Bieniawski, 1969, in Mendes, 1985) Idêntico comportamento é possível registar quando se analisa a variação da resistência à compressão das rochas em função da esbeltez do provete, ou seja, à medida que se aumenta a razão entre a sua altura e o seu diâmetro. Ensaio de carga pontual O ensaio de carga pontual é um ensaio simples de determinação da resistência à compressão de rochas intactas ou alteradas. Este ensaio pode ser realizado no campo, dado que o equipamento é, geralmente, portátil, sobre amostras de rocha não normalizadas, também denominadas amostras de mão, o que constitui, efectivamente, a sua grande vantagem. Trata-se de um equipamento relativamente leve, de fácil transporte e simples de utilizar, embora deva ser utilizado por pessoas com algum conhecimento das regras de ensaio, de modo a que os resultados sejam representativos. O ensaio consiste na colocação da amostra entre dois êmbolos cónicos, medindo de imediato a distância entre ambos (D). Posteriormente, é aplicada uma carga, através de uma bomba hidráulica, cujo aumento conduz o material à rotura. A carga responsável pela rotura (P) do material é registada num manómetro de medida. Na Figura 3 encontra-se apresentado o ensaio de carga pontual. Viana da Fonseca (FEUP) 2005 Figura 3- Equipamento do ensaio de carga pontual. (Laboratório do CEVALOR) O índice de carga pontual (ls) é dado pela seguinte fórmula: 2 D P ls = (MPa) em que: P - carga aplicada que origina a rotura do provete [MN]; D - distância entre os dois êmbolos no início da carga [m]. Como se referiu anteriormente, os provetes podem não ser cilíndricos. Nestes casos o valor de D vem dado por D e , em que π /AD e 4 2 = e, A = DW, tal como se ilustra na Figura 4. Figura 4 - Determinação de D em provetes não cilíndricos para o cálculo do ls no ensaio de carga pontual. (Fonte: mendes, 1985) Para a realização deste ensaio deve ter-se em atenção que o comprimento do provete deve possuir 1.5 vezes o seu diâmetro, para que os resultados possam ser fiáveis (Hoek e Brown, Viana da Fonseca (FEUP) 2005 1980). Do mesmo modo, devem desprezar-se os ensaios em que os provetes não rompam por planos diametrais à aplicação da carga, ou seja, quando apenas lascam (Mendes, 1985). Para determinar a resistência à compressão da rocha (σ c ), o valor de ls deve ser corrigido para o ls 50 , relativo a um provete de diâmetro de 50mm. Essa correcção pode ser efectuada através do ábaco que se apresenta na Figura 5. Figura 5 - Ábaco de correcção do ls para o ls 50 , relativo a um provete de 50 mm de diâmetro. (adaptado de Broch e Franklin, 1972, in Stacey e Page, 1986) De acordo com muitos resultados empíricos e segundo vários autores, a fórmula que nos permite determinar a resistência à compressão da rocha, é dada por (ISRM, 1972): 50 24ls c = σ (MPa) Existem outras fórmulas, que permitem determinar a resistência à compressão da rocha, e que não necessitam da correcção do ls, como é o caso da seguinte expressão sugerida por Bieniawski (1975), in Hoek e Brown (1980): ( ) lsD c 175014 ,+= σ em que D é expresso em milímetros. Uma das grandes aplicações deste ensaio consiste na possibilidade de ensaiar no campo os testemunhos de sondagem, logo após a sua recolha. Viana da Fonseca (FEUP) 2005 Estudo das descontinuidades As superfícies de descontinuidade existentes nas rochas e nos maciços rochosos são extremamente importantes, uma vez que, geralmente, dão lugar a variações bruscas de propriedades físicas. Estas descontinuidades podem ser microfissuras intragranulares de cristais, contactos intergranulares de cristais e fissuras na matriz rochosa, planos de xistosidade, diaclases, juntas de sedimentação, filões, falhas, etc.. A estabilidade dos maciços rochosos é condicionada, geralmente, pelo excesso de carga e/ou pelo aparecimento de diaclases. A maior parte dos casos de rotura do maciço rochoso é devido ao deslizamento ao longo da superfície de anisotropia (Rocha, 1981). Nesta etapa do estudo de caracterização do maciço rochoso devem ser estudadas as descontinuidades sob os aspectos referidos no Quadro 2, com o objectivo de atingir os resultados nele indicados. Quadro 2- Acções a desenvolver e resultados a obter com a realização do estudo das descontinuidades. CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA ACTIVIDADE ACÇÕES/MEIOS RESULTADOS A OBTER Estudo das descontinuidades Levantamento da atitude das descontinuidades (completar levantamento realizado na fase de prospecção geológica, se necessário). Estudo das características das descontinuidades que influenciam o comportamento geomecânico do maciço (espaçamento, continuidade, abertura, rugosidade, preenchimento, condições hidráulicas). Mapeamento das fracturas por observação directa, fotografia ou filmagem. Definição do posicionamento das descontinuidades e sua divisão em famílias, atendendo à sua atitude. Mapas de fracturação das frentes (2D) e blocos-diagrama (3D) com a representação das descontinuidades do maciço. Caracterização das várias famílias de descontinuidades em termos das suas propriedades de acordo com as recomendações da ISRM. As superfícies de descontinuidade podem ser classificadas, em termos geomecânicos, do seguinte modo (Mendes, 1985): a. Superfícies de descontinuidade que, pela sua frequência de ocorrência, pequena dimensão ou pequena variação de propriedades mecânicas, embora influenciando as propriedades do maciço, não impedem o estudo através da mecânica dos meios contínuos (ex: planos de xistosidade, superfícies de descontinuidade ao nível dos cristais, ou juntas de sedimentação entre os leitos de rocha idêntica, etc.). Viana da Fonseca (FEUP) 2005 b. Superfícies de descontinuidade que obrigam ao recurso à mecânica dos meios descontínuos para o estudo dos maciços rochosos (ex. Diaclases, falhas, etc.), e que são responsáveis pela compartimentação do maciço. Os maciços rochosos podem ser considerados homogéneos quanto à compartimentação, quando as atitudes médias das suas famílias de fracturas e as correspondentes densidades máximas de compartimentação são aproximadamente constantes ao longo do mesmo. Nos maciços marmóreos de elevada resistência, são as superfícies de descontinuidade que devem ser estudadas, de modo a garantir a sua estabilidade durante a abertura da exploração subterrânea. Para realizar este estudo há necessidade de efectuar uma análise exaustiva das descontinuidades, completando o trabalho realizado na fase de prospecção geológica. Assim, devem ser mapeadas as fracturas (com recurso a fotografias, se necessário) indicando o seu posicionamento e orientação, bem como outras características que, até agora, não tinham assumido muita importância, como é o caso da rugosidade, da abertura, do preenchimento e das condições hidráulicas. De acordo com vários autores, as descontinuidades que compartimentam o maciço rochoso devem ser estudadas utilizando os métodos sugeridos pela ISRM. Mais adiante se indicarão formas empíricas de caracterização mecânica das descontinuidades, particularmente as que se fundamentam em classificações de maciços. Modelo Geomecânico Definição O modelo geomecânico do maciço rochoso deve incluir toda a informação disponível, de modo a traduzir o comportamento do mesmo em termos de resistência e deformabilidade. Neste modelo devem estar sistematizados todos os dados obtidos relativamente à resistência e deformabilidade dos vários tipos de rochas interessadas na abertura da exploração subterrânea. O objectivo principal deste modelo é a identificação de zonas do maciço com comportamentos geomecânicos semelhantes. Viana da Fonseca (FEUP) 2005 Resistência do maciço Para estudar a resistência de um maciço rochoso é necessário não esquecer que ele é constituído por duas entidades: 1. Rocha 2. Descontinuidades No caso em que a rocha apresenta elevada resistência, a rotura do maciço é, essencialmente, condicionada pelas características das descontinuidades presentes. Para maciços que possuam até três famílias de descontinuidades é necessário estudar as características da fracturação, to à sua resistência ao corte e à sua atitude, pois são elas as principais responsáveis pela rotura do maciço. No caso de maciços com mais de três famílias de descontinuidades, estes podem ser considerados, em alguns casos e para efeitos de cálculos, como homogéneos e isotrópicos, e neste maciço, ou seja, uma coesão média e um ângulo de atrito médio, função da resistência das descontinuidades e da rocha, embora difíceis de determinar, na prática. Para estudar a rotura das rochas e dos maciços rochosos existem acutalmente variados critérios, quer científicos, quer empíricos. Os mais utilizados, presentemente, na mecânica das rochas, são: • Critério de Mohr-Coulomb (científico) • Critério de Hoek-Brown (empírico) O critério de Mohr-Coulomb baseia-se em duas propriedades das rochas e dos maciços rochosos, nomeadamente no ângulo de atrito interno e na coesão. De acordo com este critério as rochas rompem por tracção, segundo planos normais à direcção da tensão aplicada, ou por corte, em planos onde é máxima a diferença entre a tensão de corte e a acção do atrito interno. Postula ainda, este critério, que o atrito interno do material pode variar para a mesma rocha em função da variação da tensão de confinamento. O critério de rotura de Hoek-Brown foi formulado para ser aplicado, no seu caso geral, a maciços fracturados para estimar a sua resistência. Este critério baseia-se no conhecimento das condições de fracturação existentes e nas características das superfícies das descontinuidades que individualizam os blocos (Hoek e Brown, 1980). Este critério é definido pela seguinte expressão geral: