PROPOSTA DE ÍNDICE DE AJUSTE (A w ) UTILIZANDO O GRAU DE INTEMPERISMO NO SISTEMA RMR (ROCK MASS RATING) DE CLASSIFICAÇÃO DO MACIÇO ROCHOSO

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1 PROPOSTA DE ÍNDICE DE AJUSTE (A w ) UTILIZANDO O GRAU DE INTEMPERISMO NO SISTEMA RMR (ROCK MASS RATING) DE CLASSIFICAÇÃO DO MACIÇO ROCHOSO Yan Lucas de O. P dos Santos Geólogo da VOGBR Recursos Hídricos e Geotecnia S.A Sandro Sander Chaves Geólogo da VOGBR Recursos Hídricos e Geotecnia S.A - Jhoan Panitz Paredes Coordenador da Geologia da VOGBR Recursos Hídricos e Geotecnia S.A - Ângelo Zenóbio Gerente Técnico da VOGBR Recursos Hídricos e Geotecnia S.A - RESUMO Este trabalho tem como objetivo sugerir um índice de ajuste (A w ) no sistema RMR (Rock Mass Rating) de classificação do maciço rochoso, desenvolvido por Bieniawski (1989) [1]. O índice de ajuste (A w ) é baseado na intensidade do grau de intemperismo (W), ISRM (1981) [2], que afeta o maciço rochoso. A metodologia foi desenvolvida pela empresa VOGBR e foi aplicada em projetos de mapeamentos geomecânicos de cava a céu aberto. No presente artigo é apresentada a aplicação da metodologia ao mapeamento dos taludes da cava da mina do Andrade, pertencente à empresa ArcelorMittal, no município de Bela Vista de Minas MG. Palavras chaves: Intemperismo; Bieniawski; classificação geomecânica; maciço rochoso. ABSTRACT This paper suggests an adjustment index (A w ) to the RMR system (Rock Mass Rating) of rock mass classification, developed by Bieniawski (1989) [1]. This index (A w ) is based on the intensity of the weathering degree (W), ISRM (1981) [2], that affects the rock mass. The methodology, developed by VOGBR, was applied in the geomechanical mapping of Andrade mine pit slopes, belonging to the ArcelorMittal, in the municipality of Bela Vista de Minas MG. Keywords: Weathering; Bieniawski; geomechanics classification; rock mass.

2 INTRODUÇÃO O presente artigo visa apresentar uma contribuição metodológica ao sistema RMR (Rock Mass Rating) de classificação do maciço rochoso e permitir a sua aplicação em regiões de climas tropicais. O sistema RMR foi desenvolvido por Bieniawski e teve várias atualizações até chegar a versão mais recente de 1989 [1], que é a mais atualizada. O RMR é um sistema de classificação que permite relacionar índices de qualidade com parâmetros geotécnicos do maciço. Este sistema leva em conta os parâmetros de resistência uniaxial da matriz rochosa, RQD (Rock Quality Designation) [3], espaçamento das descontinuidades, condição das descontinuidades e condições de saturação. Cada parâmetro tem uma pontuação determinada e a soma das pontuações obtidas para os cinco parâmetros resulta em um valor numérico com o qual se classifica o maciço rochoso. Este valor é chamado de RMR básico e varia 0 a 100 pontos. O valor do RMR básico não considera o ajuste por orientação das descontinuidades. Quando este valor é submetido à correção por efeito da orientação das descontinuidades com relação à escavação é chamado de RMR final. O sistema RMR, bem como, os outros sistemas de classificação de maciço rochoso existentes atualmente, foram elaborados em locais com contextos geológicos e climatológicos diferentes das regiões de climas tropicais, nas quais ocorrem chuvas intensas que propiciam horizontes de intemperismo desenvolvidos e de grandes espessuras. Sendo assim, o grau de intemperismo é parâmetro importante que auxilia, de certa maneira, a caracterizar melhor e mais realisticamente a qualidade dos maciços. Devido aos motivos expostos é imperativo encontrar uma maneira de avaliar a qualidade do maciço tentando levar em consideração o intemperismo. Para isto a VOGBR desenvolveu uma metodologia com a finalidade de se adequar a classe de maciço segundo a intensidade do intemperismo. METODOLOGIA Bieniawski (1989) [1] dentro do seu sistema de classificação sugere aplicar correções aos valores de RMR através de índices de ajuste para perturbações que poderiam influenciar na qualidade do maciço rochoso e que não são consideradas dentro da metodologia de avaliação por ele proposta. Dentro destas correções, encontram-se a influência dos desmontes por detonação, os falhamentos principais e o ajuste de tensões. Adotando essa metodologia a VOGBR sugere um novo índice (A w ) aos três considerados pelo sistema de classificação. Este novo índice de ajuste está baseado na intensidade do grau de intemperismo (W) ou alteração que afeta o maciço rochoso. O grau de intemperismo (W) foi escolhido por ser um parâmetro externo aos utilizados por no cálculo do RMR, além de ser um fator determinante na qualidade do maciço em regiões de climas tropicais caracterizados por apresentar horizontes de intemperismo com espessuras consideráveis. A metodologia proposta para determinar o fator de ajuste a ser utilizado para corrigir o valor do RMR básico contemplou a determinação dos valores máximos que poderiam ser obtidos para cada parâmetro de Bieniawski dependendo da intensidade do processo intempérico. Estes valores máximos foram obtidos a partir do histórico de dados coletados nos diferentes projetos que a VOGBR participou caracterizando geomecânicamente os maciços.

3 Com estes valores foi elaborada uma razão entre estes valores máximos e a classe em que geralmente os graus de intemperismo se encaixam. Este último critério foi obtido a partir da de trabalhos da VOGBR na região do Quadrilátero Ferrífero. A determinação dos valores máximos foi realizada para cada grau de intemperismo (W1, W2, W3, W4, W5 e W6) considerados pela ISRM (1981) [2], sendo analisado qual seria o máximo peso que poderia ser obtido para cada parâmetro considerado por Bieniawski no sistema RMR. Considerando que dependendo da intensidade do intemperismo a rocha original poderia atingir características similares aos solos (W5 ou W6). Estes materiais dificilmente vão ter valores de RQD igual a 100% ou espaçamento de descontinuidades maiores a 2m, valores que poderiam ser obtidos caso fosse seguida a classificação conforme a mesma é preconizada. Por exemplo, se utilizarmos os pesos mais baixos para os parâmetros de resistência (peso 0), RQD (peso 3), espaçamento (peso 5), condição das descontinuidades (peso 0) e condições secas de saturação (peso 15) obteremos um valor para o RMR básico de 24 pontos, correspondente a uma classe de maciço IV. Quando na realidade estes materiais pela sua natureza friável geralmente são caracterizados como de Classe V, obtendo-se por tanto um valor que não condiz com o que é observado em campo durante a etapa de caracterização geomecânica. Os critérios para a determinação dos pesos máximos para cada grau de intemperismo serão explicados a seguir. Para todas as avaliações assumiu-se condições secas de saturação, o que corresponde a um peso de 15 pontos (Bieniawski 1989). Em maciços com grau de intemperismo W6 (rocha totalmente transformada em solo, conforme definição da ISRM, 1981) foi considerado um valor de resistência à compressão uniaxial máximo na faixa de 1 5 MPa (peso de 1), valores de RQD maior de 25% (peso de 3) e espaçamento das descontinuidades de 6 cm, correspondente a um peso de 5 pontos. No caso da condição das descontinuidades assumiu-se que as descontinuidades já não se encontram preservadas neste nível de intemperismo, inviabilizando a sua caracterização. Com isto para os parâmetros das descontinuidades (persistência, abertura, rugosidade, preenchimento e intemperismo das paredes) foi adotado um peso de zero. Com estas premissas o valor máximo do RMR é de 24 pontos. Da mesma maneira para os maciços que apresentam um grau de intemperismo W5 (rochas completamente alterada) considerou-se que podem ser obtidos parâmetros um pouco acima dos considerados para o W6. Por exemplo, poderia ser atingido um valor de 5 25 MPa, que corresponde a um peso de 2, poderiam ser obtidos dependo das condições do material exposto valores de RQD de 25-50% (peso de 8). Pela natureza friável destes materiais considera-se um peso de 0 para as condições das descontinuidades. Apesar dos materiais que apresentam um grau de intemperismo W5 possuírem consistência similar aos materiais com grau de intemperismo W6, observações de campo indicam que estes materiais possam atingir valores de resistência, RQD e espaçamento maiores. Com isto o valor máximo que este grau de intemperismo poderia atingir seria de 33 pontos. Esta mesma análise descrita acima, foi utilizada para os materiais sujeitos a um grau de intemperismo menos intenso. Para grau de intemperismo W4 (rochas intensamente alteradas) estimou-se que o valor máximo de resistência a compressão uniaxial que uma rocha com este grau de intemperismo pode atingir é de uma faixa máxima de 50 MPa (peso de 4), valores de RQD de 75-90% (peso de 17) e espaçamento das descontinuidades de cm o que obtém um peso de 15.

4 Neste nível de intemperismo já é possível caracterizar as descontinuidades, por isso foi adotado peso 6 para os parâmetros de persistência, abertura, rugosidade e preenchimento. Para o intemperismo das paredes foi considerado o peso igual ao da matriz obtendo-se um peso de 1. O peso total obtido para rochas que apresentam este grau de intemperismo W4 é de 76 pontos. Para o grau de intemperismo W3 (rochas moderadamente alteradas) considerou-se que a rocha poderia atingir valores de resistência a compreensão uniaxial de até 100 MPa (peso de 7), valores de RQD de % (peso de 20). Da mesma forma que foi adotado para o W4 os pesos definidos para a persistência, abertura, rugosidade e preenchimento foram os valores máximos que o RMR considera (6 pontos para todos eles), e para o intemperismo das paredes foi colocado um peso de 3 (paredes moderadamente alteradas). Sendo assim o peso total obtido para os materiais que apresentam este grau de intemperismo é de 89 pontos. Para as rochas levemente alteradas (W2) foram considerados valores máximos para os parâmetros de resistência, RQD, espaçamento, persistência, abertura, rugosidade e preenchimento (pesos de 12, 20, 20, 6, 6, 6 e 6 respectivamente). O intemperismo das paredes foi atribuído um valor de 5 (paredes levemente alteradas). Com isto o peso total obtido para rochas que apresentam o grau de intemperismo W2 é de 96 pontos. E para maciços com grau de intemperismo W1 obtém-se um peso máximo de 100 pontos de RMR básico. Com isto as rochas sem intemperismo poderiam atingir, dependendo das condições do maciço, valores máximos para os cinco parâmetros considerados por Bieniawski. Com a proposição desta metodologia pode-se admitir que à medida que o grau de intemperismo (W6 para W1) for diminuindo, os pesos máximos obtidos aumentam proporcionalmente, conforme mostrado na Figura 1. Figura 1 Gráfico apresentando os máximos valores de RMR obtidos para maciços em função do grau de intemperismo. Na Tabela 1 é apresentado um resumo com os pesos considerados para cada grau de intemperismo avaliado.

5 Tabela 1 Valores máximos de RMR versus grau de intemperismo. Parâmetros Grau de Intemperismo do Maciço Resistência (MPa) RQD (%) Espaçamento das descontinuidades (cm) Condições das descontinuidades Condições de saturação Total RMR W1 W2 W3 W4 W5 W6 Faixas de valores > > Seco Pesos Faixas de valores > Seco Pesos Faixas de valores > Seco Pesos Faixas de valores Seco Pesos Faixas de valores Seco Pesos Faixas de valores 1 5 < Seco Pesos Conhecidos os valores de máxima pontuação para cada grau de intemperismo o seguinte passo foi determinar os índices de ajustes. Para isto é proposto uma razão entre os valores obtidos (Tabela 1) e os pesos correspondentes ao limite superior dos valores máximos de RMR, da classe de maciço esperada para cada grau de intemperismo. Esta determinação de classe esperada foi determinada em função da experiência da equipe técnica da VOGBR em classificação de maciços intemperizados. Os valores dos índices de ajuste (A w ) do RMR por efeito do intemperismo obtidos seguindo a metodologia descrita são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Índices de ajuste obtidos para cada grau de intemperismo. Grau de Intemperismo Pesos máximos obtidos Classe de maciço máxima esperada (RMR)* Valores do RMR máximo esperado Razão Índice de ajuste W1 100 I /100 1 W2 96 II 80 80/96 0,83 W3 89 III 60 60/89 0,67 W4 76 IV 40 40/76 0,53 W5 33 V 20 20/33 0,61 W6 24 V 20 20/24 0,83 * Classe de maciço máxima esperada segundo o grau de intemperismo seguindo os critérios de avaliação propostos pela VOGBR.

6 Na Figura 2 é apresentado o fluxograma proposto por Bieniawski (1989) [1] e modificado pela VOGBR, introduzindo o índice de ajuste A w dos valores de RMR por efeito do intemperismo. Resistência da rocha intacta Peso: 0-15 Ajuste por efeito do intemperismo Aw Densidade da Descontinuidade RQD: 0-20 Espaçamento: 0-20 Peso: 0-40 Condição das descontinuidades Peso: 0-30 Ajuste por orientação da descontinuidades RMR básico Ajuste por efeito da detonação Ab Ajuste por tensões in situ e por mudança de tensões As Condição das aguas subterráneas Peso: 0-15 Falhas maiores e Fraturas S RMR ajustado RMR X Aw X Ab X As X S max. 0.5 Recomendações de suporte Figura 2 Ajuste do sistema RMR para sua aplicação em mineração - Adaptado VOGBR. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A metodologia desenvolvida pela VOGBR, para depreciar a classe de maciço segundo a intensidade do intemperismo (A w ), dentro do sistema RMR descrita no item anterior, já foi utilizada em alguns trabalhos realizados pela empresa. A metodologia foi empregada em mapeamentos geomecânicos de taludes de cavas a céu aberto no Quadrilátero Ferrífero. Esses mapeamentos geomecânicos foram realizados com uma coleta de dados de forma sistemática, sendo executados na escala 1: Desde 2010, a VOGBR tem aplicado e aprimorado essa metodologia possuindo em seu banco de dados, um total de aproximadamente pontos levantados nesses tipos de trabalhos. Nas Figuras 3, 4, 5 e 6 é apresentada uma análise comparativa dos valores de RMR básicos obtidos sem o índice de ajuste proposto com os valores de RMR ajustados com o índice A w.

7 No exemplo apresentado na Figura 3 são avaliados maciços que apresentam um grau de intemperismo W2. Foi obtido para o caso 5 valores de RMR de 71 pontos que corresponde a uma classe de maciço II (maciço de boa qualidade geomecânica), mas na realidade foi observado em campo que o efeito do intemperismo está afetando a qualidade geomecânica destes materiais. Aplicando o índice A w foi obtido um valor de 59 pontos o que significa uma Classe III correspondente a um maciço de qualidade geomecânica regular. Por outro lado observa-se também no gráfico que dependendo do valor obtido a classe poderia não mudar, no caso 2, por exemplo, foi obtido um valor de 75 pontos (Classe II) e aplicando o índice A w o valor do RMR ajustado foi de 63, permanecendo a mesma Classe II. Figura 3 Gráfico apresentando um comparativo entre RMR básico e RMR corrigido para maciços que apresentam grau de intemperismo W2. Na Figura 4 são apresentados valores de RMR básico obtidos para maciços que apresentam um grau de intemperismo W3. No caso 1 (Figura 4) chegou-se a obter um valor de RMR básico de 77 pontos que corresponde a uma classe de maciço II (maciço de boa qualidade geomecânica), mas na realidade foi observado que o intemperismo está atuando de uma forma significativa fazendo com que esta classe obtida não reflita a realidade observada em campo, pois quando a rocha atinge valores de intemperismo W3 o seu comportamento não é a de uma rocha de boa qualidade geomecânica. Aplicando o índice A w foi obtido um valor de 52 pontos o que significa uma Classe III correspondente a um maciço de qualidade geomecânica regular. Da mesma forma, para o caso 9 foi obtido um valor de 50 pontos (Classe III), entretanto aplicando o índice A w, o valor do RMR ajustado resulta em um valor de 34 pontos, decaindo de Classe de III para Classe IV.

8 Figura 4 Gráfico apresentando um comparativo entre RMR básico e RMR corrigido para maciços que apresentam grau de intemperismo W3. Os casos avaliados para maciços com grau de intemperismo W4 são apresentados na Figura 5. Para o caso 1 (Figura 5) foi obtido um valor de RMR básico de 65 pontos (Classe de maciço II), contudo depois de aplicar o índice A w o valor obtido foi de 34 pontos que corresponde a uma Classe IV (qualidade pobre) valor que considerando os estágios avançados de alteração intempérica observados na rocha representa melhor a real qualidade do maciço. O caso 10 apresenta um valor de RMR de 24 pontos que corresponde a uma Classe IV. Depois do ajuste deste valor com a aplicação do A w a classe de maciço decaiu de IV para V (RMR de 13). Neste caso em particular o valor de resistência da matriz foi de 1 5 MPa, comprovando que o valor de RMR ajustado com o índice A w está coerente com a real condição do maciço. Figura 5 Gráfico apresentando um comparativo entre RMR básico e RMR corrigido para maciços que apresentam grau de intemperismo W4. Nos exemplos apresentados na Figura 6 são avaliados os casos em que o grau de intemperismo atinge valores de W5 (rochas completamente alteradas). Para todas as situações avaliadas os valores de RMR obtidos caíram dentro da faixa de valores correspondentes a Classe IV. Para nenhuma destas situações analisadas foram obtidos valores menores a 20 pontos, com isto maciços com resistência de 1 5 MPa jamais seriam classificados com Classe V. Quando aplicamos o índice de ajuste A w os valores obtidos

9 inserem-se dentro da faixa de valores da classe de maciço V, o que corresponde a um maciço rochoso de qualidade geomecânica muito pobre. Figura 6 Gráfico apresentando um comparativo entre RMR básico e RMR corrigido para maciços que apresentam grau de intemperismo W5. Com relação ao grau de intemperismo W6 não se tem dados coletados de maciços que apresentem este estágio avançado de degradação. O W6 identifica horizontes rochosos que apresentam um comportamento de solo com a estruturação da rocha original destruída, por tanto a determinação do RMR para este tipo de materiais não é aplicável. Contudo, optou-se por considerar o W6 como parte dos critérios de avaliação, para ser usado nos casos em que o material avaliado precise ser inserido dentro das faixas de classes de maciço do sistema RMR. Para o grau de intemperismo W1 (rocha sã) o valor do índice de ajuste A w é igual a 1, sendo assim os valores de RMR básico serão coincidentes com os valores do RMR ajustado. Com isto o índice A w não interfere nos valores de RMR obtidos nos maciços que não são afetados pelo intemperismo. ESTUDO DE CASO Esta metodologia foi empregada no mapeamento dos taludes da cava da Mina do Andrade, da empresa ArcelorMittal [4], localizada no município de Bela Vista de Minas, a um (01) km da cidade de João Monlevade (Minas Gerais). Esse trabalho foi realizado na escala 1:2.000 e foram levantados um total de 450 pontos, distribuídos ao longo da cava atual. Após o trabalho de campo foi realizado o processamento e avaliação dos dados coletados, para geração do modelo geomecânico da mina. Foi utilizado o sistema de classificação RMR (Rock Mass Rating), considerando maciço não saturado e posteriormente foi aplicada a metodologia do índice de ajuste pelo intemperismo. A título de comparação para o presente artigo, foi elaborado um mapa geomecânico da Mina do Andrade utilizando o sistema de classificação RMR, mas sem aplicar o índice de ajuste pelo intemperismo. Esse mapa pode ser observado na Figura 7.

10 Figura 7 Mapa geomecânico sem aplicação do índice de ajuste pelo intemperismo. A Figura 8 apresenta o mapa geomecânico da Mina do Andrade com a classificação RMR, depois de aplicado o índice de ajuste pelo grau de intemperismo. Figura 8 Mapa geomecânico com aplicação do índice de ajuste pelo intemperismo.

11 Comparando os dois mapas geomecânicos, é possível observar que o resultado foi distinto. O mapa geomecânico da Figura 3 é composto praticamente por Classe V (maciço muito pobre - RMR<21) e Classe IV (maciço pobre - 20<RMR<41) com lentes de Classe III (maciço regular - 40<RMR<61). Esse resultado condiz com a realidade do maciço observado durante os trabalhos de campo. O mapa geomecânico da Figura 9 é composto por Classe IV (maciço pobre) e Classe III (maciço regular). Este resultado é incoerente com a realidade encontrada em campo, uma vez que na mina do Andrade ocorre consideravelmente o maciço Classe V. A Figura 4 mostra um dos taludes mapeados, onde pode ser observado que o talude é de natureza friável, enquadrando-se dentro da classe V de Bieniawski (1989) [1]. Figura 9 Itabirito friável em um talude na mina do Andrade, localizado na porção noroeste da cava. Foto visada para sul. O ponto de mapeamento mostrado na Figura 4 localiza-se na porção noroeste da cava. Nesse ponto, observa-se um talude de itabirito friável. Esse talude foi caracterizado em campo como rocha de resistência muito branda (grau de resistência R1) e completamente alterada (grau de intemperismo W5). Utilizando o sistema RMR para classificar o maciço rochoso nesse ponto, foi obtido um valor de RMR igual a 24 (Classe IV - maciço pobre), o que não confere com a realidade do maciço, uma vez que esse itabirito é muito friável. Utilizando para esse ponto a metodologia proposta, obteve-se um valor de RMR igual a 15. Esse valor foi alcançado multiplicando-se 24 (valor do RMR, obtido nesse ponto) por 0,61 (índice de ajuste para rocha completamente alterada (W5), vide Tabela 2). Sendo assim, pela metodologia, o maciço é classificado como Classe V (maciço muito pobre), o que é mais condizente com a realidade desse talude em questão. CONCLUSÃO A metodologia desenvolvida pela VOGBR e que vem sendo utilizada desde 2010 em seus trabalhos, sugerindo um índice de ajuste (A w ) baseado no grau de intemperismo (W), ao

12 sistema RMR de classificação de maciços, tem apresentado resultados coerentes com as observações obtidas em campo quando é feita a classificação do maciço após o tratamento dos dados. É importante ressaltar que o tema abordado no presente artigo é uma contribuição para se adaptar o sistema RMR de classificação de maciço rochoso aos contextos geológicos e climatológicos em regiões de clima tropical, já que grande parte dos sistemas de classificação existentes foi desenvolvida em climas temperados. Outros estudos e sugestões devem ser propostos, para que a classificação de maciços possa ser cada vez mais apurada e condizente com a realidade onde for aplicada. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a ArcelorMittal na pessoa do geólogo Samir Mohallem pelo apoio durante a realização dos trabalhos e ao geólogo Alberto Amaral da VOGBR, pelas discussões técnicas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 - BIENIAWSKI, Z. T. (1989) Engineering Rock Mass Classification. New York: John Wiley. 248p. 2 - BROWN, E.T. (1981) Suggested Methods for Rock Characterization Testing and Monitoring ISRM suggested methods. Pergamon Press. 3 - DEERE, D.U Geological Considerations." Rock Mechanics in Engineering Practice. Staff, and Zienkiewicz, D.C. (eds.), New York, New York: John Wiley Publishing. 4 - VOGBR, (2012) Mapeamento Litoestrutural e Geomecânico da Mina do Andrade. ArcelorMittal (Relatório Técnico nº VG GL-RTE-0001).

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