Introdução A Mecânica das Rochas passou a ser reconhecida como uma disciplina especial nos programas de engenharia por volta de 1960 devido as novas a

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2 Introdução A Mecânica das Rochas passou a ser reconhecida como uma disciplina especial nos programas de engenharia por volta de 1960 devido as novas atividades desenvolvidas neste material como, complexas instalações subterrâneas, canais de adução, abertura de grandes minas, etc.

3 Introdução Mecânica das Rochas é uma ciência teórica e aplicada que estuda o comportamento mecânico das rochas e maciços rochosos; ou seja é a parte da Mecânica que estuda a resposta das rochas e maciços rochosos quando sujeitos à ação de esforços solicitantes externos (p.ex., força, temperatura etc.).

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10 Introdução A Mecânica das Rochas é uma disciplina de interface se destacando principalmente nas seguintes áreas: Engenharia Civil (Geotecnia) - projeto e execução de fundações (edificações, barragens etc.), taludes naturais e escavados, túneis e cavernas de armazenamento (fluidos, rejeitos etc.); Engenharia de Minas - projeto estrutural de minas a céu aberto (taludes) e subterrâneas (túneis, poços e cavernas); Engenharia de Petróleo - estabilidade do furo e armazenamento de óleo e gás natural; Geologia - hidrogeologia, cavernas naturais, zonas de falhas e dobras, terremotos etc.

11 Introdução Segundo Goodman (1989), as aplicações da Mecânica das Rochas envolvendo diferentes áreas da engenharia podem ser divididas de forma didática em Atividades de Superfície e Atividades em Profundidade : A Atividades de Superfície (<100 m): Fundações de edifícios e estruturas em geral; Fundações de barragens; Estradas, cortes em geral, minas a céu aberto; Túneis próximos a superfície; Etc.

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16 Introdução B Atividades em Profundidade (>100 m): Minas em profundidade; Túneis para uso civil; Cavernas para Hidrelétricas; Etc.

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19 Introdução O projeto de obras apoiadas ou escavadas em rocha baseia-se nos seguintes princípios básicos: As tensões se distribuem num meio contínuo; O princípio das tensões efetivas é válido; As propriedades do maciço rochoso são afetadas tanto pela rocha intacta quanto pelas descontinuidades.

20 Introdução Sendo assim, para o projeto são necessários os seguintes estudos: Estado de tensões in-situ; Estado de tensões induzidas; Propriedades das rochas; Propriedades das descontinuidades; Influência do tempo nas propriedades.

21 Introdução Efeito Escala

22 Introdução Assim, num programa geral de ensaios para determinação de propriedades, devese seguir os seguintes princípios básicos: Descrever a resposta da rocha intacta sob uma vasta faixa de solicitações; Prever a influência de um ou mais conjuntos de descontinuidades no comportamento (anisotropia); Estimar as propriedades dos maciços fraturados.

23 ROCHAS INTACTAS Rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral, que se apresenta em grandes massas ou fragmentados. A rocha é usualmente caracterizada por sua densidade, deformabilidade e resistência.

24 MACIÇO ROCHOSO Maciço rochoso é um meio descontínuo formado pelas porções de rocha intacta e pelas descontinuidades que o atravessam. As propriedades e parâmetros que vão controlar o comportamento das obras executadas ou escavadas neste maciço rochoso vão depender da escala relativa entre o padrão de fraturamento do maciço rochoso e o tamanho da obra. Em alguns casos serão predominantes as propriedades da rocha intacta, em outros as propriedades das descontinuidades, e por fim, as do maciço rochoso como um todo.

25 DESCONTINUIDADE Descontinuidade é o termo utilizado em engenharia de rocha para todos os tipos de planos, para indicar que o maciço rochoso não é contínuo, diferente da rocha intacta, que é um meio mecanicamente contínuo.

26 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA O processo de amostragem e preparação de corpos de prova (CP) passa por diversas fases que devem ser respeitadas para que ao final se obtenha propriedades da rocha de boa qualidade e confiáveis. Escolha do local de amostragem Processo de Amostragem Transporte Armazenamento Preparação de Corpo de Prova (CP)

27 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA Escolha do local de amostragem As amostras devem ser extraídas de um local que representa da forma fidedigna as condições rocha da obra em termos de: composição mineral; tamanho dos grãos; umidade etc.

28 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA Processo de Amostragem Existem basicamente dois processos de amostragem, sendo eles, amostragem a partir de blocos ou de testemunhos de sondagem rotativa. Figura 1 Barrilhete para sondagem rotativa e coroas diamantadas.

29 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA Transporte O transporte deve ser feito de forma que se mantenha a integridade da amostra. No caso de sondagem rotativa tem-se caixas especiais para transporte. Para os blocos se faz necessária a construção de caixas de madeira, onde as amostras são acomodadas por tocos e serragem, para evitar choques durante o transporte.

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31 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA Armazenamento As amostras devem ser acomodadas em local seco, de preferência com sílica gel, de forma que a amostra perca toda sua umidade antes de ser ensaiada. No caso do bloco, antes do armazenamento, deve-se obter amostras cilíndricas com um barrilhete portátil.

32 AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA Preparação de Corpo de Prova (CP) O primeiro passo é realizar um corte no topo e na base das amostras cilíndricas, utilizando uma serra diamantada, de forma a obter uma amostra com tamanho aproximado ao corpo de prova, ou seja, L/D entre 2 e 3. Posteriormente leva-se este cilindro irregular para um torno mecânico, de forma a deixar as paredes laterais regularizadas.

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35 PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS Projeto de obras apoiadas ou escavadas em rocha Estado de tensões in-situ Estado de tensões induzidas Propriedades das rochas Influência do tempo nas propriedades rocha Intacta descontinuidades simples duas descontinuidades varias descontinuidades maciço rochoso

36 ESTUDO DAS PROPRIEDADES A maioria dos maciços rochosos são muito fraturados. Sendo assim, a escala (tamanho) das estruturas é que determina o tipo de propriedades que controlam o comportamento da estrutura: rocha intacta maciço rochoso Exemplo perfuração de um furo pequeno túnel caverna subterrânea (ou escavações de grandes dimensões) rocha intacta poucas descontinuidades maciço rochoso fraturado (maciço isotrópico fraturado partículas angulosas embricadas)

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38 ESTUDO DAS PROPRIEDADES A transição do comportamento controlado por rocha intacta ou maciço rochoso depende do tamanho da amostra, da zona de influência ou da zona de interesse. Cada faixa de comportamento apresentara propriedades diferentes (compressibilidade e resistência) e exibirá: diferentes: Modos de ruptura e Critérios de ruptura

39 PROGRAMAS DE DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES 1.- Descrever a resposta da rocha intacta sob uma vasta faixa de solicitações. 2.- Provar a influencia de uma ou mais conjuntos de descontinuidades no comportamento (anisotropia dependendo das orientações das descontinuidades). 3.- Propriedades dos maciços muito fraturados Na pratica, pode-se perceber que a quantidade e qualidade dos dados decresce rapidamente com o aumento do tamanho e volume das amostras (amostra intacta teste in-situ de maciços rochosos)

40 PROGRAMAS DE DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES ROCHA INTACTA: dados confiáveis em grande volume para quase todos os tipos de rocha, estado de tensões e temperatura. MACIÇO ROCHOSOS: poucos dados e pouco confiáveis devido as dificuldades experimentais. ESTRATEGIA DE SOLUÇÃO Rocha intacta: propriedades critérios de ruptura métodos de ensaio Descontinuidades: Maciço rochoso: propriedades critérios de ruptura modelos reduzidos efeito escala medidas de campo critérios empíricos COMPORTAMENTO DEPENDENTE DO TEMPO

41 PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS Goodman (1989) Ulusay & Hudson (2007) The Complete ISRM Suggested Methods... Variedade de estrutura, textura e componentes Medidas básicas descrição quantitativa do material MEDIDAS BÁSICAS 1.- POROSIDADE: relação entre sólidos e vazios 2.- DENSIDADE: mineralogia, grãos constituintes 3.- VELOCIDADE SÓNICA: grau de fissuramento, elástico 4.- PERMEABILIDADE: interconecção entre poros 5.- DURABILIDADE: degradação do material com tempo 6.- RESISTÊNCIA: competência da estrutura

42 PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS Propriedades índice podem ajudar a classificar a rocha para aplicações relacionadas com o comportamento da rocha intacta mas não do maciço rochoso: - perfuração de furos - facilidade de corte - seleção de agregados - análise do rip-rap Já escavações de superfície ou subterrâneas envolvem o maciço e testam as descontinuidades, muito mais que a rocha intacta; Sistema de classificações.

43 POROSIDADE n = V V v t V v : volume de vazios V t : volume total Rochas Sedimentares: varia de 0 a 0,9; típico para arenitos 0,15 e decresce com a idade e a profundidade Rocha Idade Profundidade n arenito cambriano superficial 0,11 arenito cretáceo superficial 0,34 folhelho cretáceo 200 m 0, m 0, m 0, m 0,08

44 POROSIDADE Algumas rochas vulcânicas apresentam também altas porosidades devidas as bolhas de gás (vazios que não são conectados) Exemplo: Tufo - 40% Em rochas policristalinas (evaporitos e a maioria das ígneas e metamórficas) a grande proporção de vazios são na verdade fissuras planares. propriedades são extremamente dependentes do estado de tensões (profundidade) Rochas ígneas: n = 1 a 2% exceto quando alteradas granito 0 a 1% granito recém alterado 1 a 5% granito decomposto (saprolito) 20%

45 POROSIDADE Porosidade pode ser uma análise preliminar de qualidade de rochas Para as não alteradas é comum usar correlações como: densidade σ c E Capacidade de armazenamento de certas rochas como para reservatórios de petróleo. MÉTODOS DE TESTE: 1. densidade 2. saturação por água 3. saturação por imersão (entre outros)

46 DENSIDADE (ρ = kg/m 3 ) Peso específico da rocha (γ = kn/m 3 ), Densidade real (ou gravidade específica) G : γ G = γ a γ a : peso específico da água (1 gr-f/cm 3 ) Porosidade Densidade Densidade real Determinação do G i e volume V i como percentagem de cada tipo de mineral por microscópica. G = n i= 1 G i V i G i : tabelas para os minerais mais comuns

47 DENSIDADE (ρ = kg/m 3 ) γ d = Gγ w ( 1 n) γ γ = d 1 + w w G n = 1 + w G ROCHA prof. G granito basalto 26,0 27,0 rocha sal carvão 20,6 7 a 20 mármore 27,0 folhelho 300 m 900 m 1500 m 22,1 24,7 25,7 - Apresenta uma grande variedade em relação a solos - É de grande importância para a determinação de tensões in-situ, ou o tipo de agregado para barragens e muros de gravidade. - Para rochas com óleo, gás ou carvão a densidade indica o conteúdo destes materiais. MÉTODOS DE ENSAIO: Volume e Peso

48 UMIDADE NATURAL É obtida a partir de amostra de campo, onde, após o processo de extração da amostra. Retira-se fragmentos de rocha que devem ser guardados em recipientes hermeticamente fechados (ex.:saco plástico), com o objetivo de que a mesma não perca sua umidade. Já em laboratório, os fragmentos devem passar por procedimento similar a determinação da umidade do solo. Primeiro pesa-se a amostra úmida, depois esta é levada à estufa, que posteriormente é pesada novamente (peso seco), determinando desta forma sua umidade natural.

49 PERMEABILIDADE - Aplicação direta para o bombeamento de água, óleo, gás; armazenamento de fluidos; perda de reservatórios; rebaixamento de lençol freatico e entrada de água em obras subterrâneas. - Obviamente as descontinuidades são os fatos mais importantes testes de bombeamento in-situ. - Com ensaios em laboratório determinamos o grau de interconeção de poros e fissuras. depende da tensão normal depende se o estado de compressivo ou de tração - Mede o grau de fissuramento uma vez que fissuras planas são mais dependentes da tensão do que os poros esféricos.

50 PERMEABILIDADE - Lei de Darcy Q = k dh dx A

51 DURABILIDADE - Alteração de propriedades exfoliação hidratação solução oxidação abrasão, etc. - Alguns folhelhos e rochas vulcânicas deterioram-se muito rápido assim que expostas -Felizmente são na maioria apenas superficial -Difícil de reproduzir os caminhos da natureza em laboratório

52 VELOCIDADE SÔNICA ASTM D Emissor Vs Fonte de Freqüência L Vp Vp: vel. longitudinal Vs: vel. Transversal Receptor Leitura - tempo de percurso - propriedades elásticas 1 C C: percentagem do mineral = V * p V pi V pi : velocidade do mineral (tabela)

53 VELOCIDADE SÔNICA MINERAL Veloc. quartzo magnetita gipsum pirita ROCHA basalto calcario arenito granito sal Veloc Vp IQ% = Vp * 100% IQ (%) 50 não fissurado pouco fissurado fissurado muito fissurado extrem. fissu n (%)

54 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO P σc = onde: A σ c resistência à compressão uniaxial máxima ou última; P carga de ruptura; A área inicial da amostra.

55 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - Índice de carga puntiforme P Ιs = D² onde: I s índice de carga puntiforme; P carga de ruptura; D distância entre os cones de carregamento.

56 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - Índice de carga puntiforme O índice de resistência à carga puntiforme I s é correlacionado empiricamente com a resistência à compressão uniaxial através da expressão: σc = CΙs onde: σ c é a resistência à compressão simples; I s é o índice de resistência ao carregamento puntiforme; C é uma constante que depende do diâmetro da amostra Diâmetro da amostra (mm) Constante C 20 17, , , , ,5

57 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO O ensaio mais utilizado para determinação da resistência à tração de uma amostra de rocha é o ensaio de tração indireta ou compressão diametral, que é também conhecido como ensaio brasileiro.

58 RESISTÊNCIA DE ROCHAS INTACTAS, DESCONTINUIDADES E MACIÇOS ROCHOSOS Para qualquer problema que envolva a análise de uma ruptura potencial de obras em rocha passa pela determinação de parâmetros de resistência da rocha intacta, de descontinuidades ou do maciço rochoso, dependendo da escala da obra em relação à intensidade de fraturamento do maciço rochoso.

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60 RESISTÊNCIA DAS ROCHAS Quando uma rocha perde a capacidade de desempenhar seu papel diante de determinada solicitação, por exemplo, aquela resultante da implantação de uma obra de engenharia, diz-se que ela rompeu, ou seja, perdeu totalmente a sua integridade.

61 Características dos maciços rochosos Rocha intacta geralmente isotrópica ensaio triaxial barato adequadamente entendível Maciço rochoso com muitas famílias de descontinuidades razoavelmente isotrópica ensaio triaxial simples mas caro razoavelmente bem entendível Rocha intacta com uma descontinuidade inclinada simples razoavelmente isotrópica ensaio triaxial extremamente difícil dificilmente entendível Maciço rochoso com poucas famílias de descontinuidades altamente anisotrópica ensaio triaxial difícil adequadamente entendível Rocha compactada ou conglomerado pobremente cimentado anisotrópica testes muito difíceis dificilmente entendível Rocha muito fraturada ou pedregulho pobre compactação ensaio triaxial simples mas caro adequadamente entendível

62 ENSAIO DE RESISTÊNCIA DE ROCHAS EM LABORATÓRIO Os ensaios de laboratório para determinação de resistência em amostras de rochas são os de: - Compressão: simples ou triaxial; - Cisalhamento direto (resistência ao longo de superfícies de anisotropia ou para rochas brandas); - Tração: direto ou indireto. O ensaio mais comum é o triaxial, que consiste na compressão axial do cilindro de rocha com a aplicação simultânea de pressão confinante

63 Critério de Mohr-Coulomb Este critério foi originalmente escrito em termos da tensão de cisalhamento τ e da tensão normal, σ atuantes no plano representado pelo ponto de tangência de um círculo de Mohr com a envoltória, ou seja: onde: τ p resistência ao cisalhamento; c intercepto coesivo; σ - tensão normal ao plano de ruptura; φ - ângulo de atrito interno do material.

64 Critério de Mohr-Coulomb (ROCHA INTACTA) O critério de Mohr-Coulomb pode ser expresso também em virtude das tensões principais: O critério de Mohr-Coulomb é usado também para representar a resistência residual, isto é, a resistência mínima alcançada pelo material submetido à deformação após o pico. Neste caso, um índice r pode ser utilizado para identificar cada termo como um parâmetro de resistência residual:

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66 IMPORTANTE O índice RQD (Rock Quality Designation), foi definido por Deere et al. (1967) para dar uma estimativa quantitativa da qualidade do maciço rochoso, através de testemunhos obtidos de sondagens rotativas. O RQD é definido como a percentagem de partes intactas do testemunho maiores que 100 mm em relação ao comprimento total do testemunho (inferior a 2 m).

67 Comprimento total corpo de prova cilindrico = 200 cm. L = 38 cm Σ comprimento de partes do corpo de prova > 10 cm RQD = Comprimento total do corpo de prova x 100% L = 17 cm L = 0 nenhuma parte > 10 cm. RQD = x 100% = 55% L = 20 cm L = 35 cm Quebra pela amostragem L = 0 não recuperado Figura Z - Processo para medir e calcular o RQD (modificado - Bieniawski, 1989)