UTILIZAÇÃO DE ENSAIOS SÍSMICOS NO ESTUDO DE ROCHAS BASÁLTICAS E SUA APLICAÇÃO NO ESTUDO DE UM TÚNEL

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1 UTILIZAÇÃO DE ENSAIOS SÍSMICOS NO ESTUDO DE ROCHAS BASÁLTICAS E SUA APLICAÇÃO NO ESTUDO DE UM TÚNEL Leandro Conterato UFRGS, Porto Alegre, Brasil, l.cont88@yahoo.com.br Felipe Gobbi Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil UFRGS, Porto Alegre, Brasil, felipe.gobbi@gmail.com Luiz A. Bressani Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil UFRGS, Porto Alegre, Brasil, bressani@ufrgs.br André Zingano Departamento de Engenharia de Minas UFRGS, Porto Alegre, Brasil, andrezin@ufrgs.br RESUMO: O presente trabalho apresenta o estudo de ensaios sísmicos realizados em amostras de rochas basálticas provenientes da escavação do túnel de adução da UHE Castro Alves, localizada em Nova Roma do Sul, RS. Os ensaios sísmicos foram utilizados para avaliação da qualidade das amostras (comparação entre duas técnicas de amostragem), verificação da variação da velocidade de propagação de ondas para os diferentes tipos de rochas e influência do processo de escavação no maciço. Além dos ensaios sísmicos realizados pelo método padrão, foram realizados ensaios com aplicação de tensão vertical no corpo de prova. Os resultados obtidos nesse estudo auxiliam na compreensão da utilização deste tipo de ensaio e sua aplicação para outras obras. PALAVRAS-CHAVE: Rochas Basálticas, Túneis, Ensaios Sísmicos. 1 INTRODUÇÃO Historicamente as escavações subterrâneas foram bastante utilizadas em atividades de mineração. Com o passar dos anos, essa utilização vem sendo expandida para diversas outras atividades, como no caso dos metrôs, galerias subterrâneas para disposição de resíduos, túneis rodoviários e ferroviários, túneis de adução de usinas hidrelétricas e galerias para casas de força. No Rio Grande do sul destaca-se atualmente a ampla utilização de túneis de adução em usinas hidrelétricas, principalmente na bacia Taquari-Antas. Está em andamento na UFRGS um projeto de pesquisa que tem como objetivo realizar a modelagem numérica da escavação do túnel de adução da UHE Castro Alves e comparar os resultados com o desempenho real deste túnel, visando o aprimoramento da prática de projeto e execução de túneis. Para isso é necessário estudar as propriedades geomecânicas das rochas que constituem o maciço local. Para o estudo destas propriedades estão sendo realizados ensaios mecânicos e sísmicos além da caracterização mineralógica destas rochas. O presente trabalho apresenta o estudo dos ensaios sísmicos realizados nas rochas retiradas do local. Para a realização deste estudo foram adotados como objetivos: a verificação da qualidade das amostras retiradas do local, fazendo uma comparação de duas diferentes técnicas de amostragem; verificação do dano causado pelas detonações ao longo do maciço adjacente ao túnel e verificação da influência da aplicação de tensão vertical no corpo de prova na velocidade de propagação das ondas.

2 2 MATERIAIS E APARELHAGEM UTILIZADOS 2.1. Descrição do material O túnel em estudo foi escavado em rochas básicas da Formação Serra Geral (basaltos). Entretanto a própria estrutura dos derrames basálticos apresenta rochas diferentes, conforme pode ser verificado em Leinz e Amaral, Desta forma neste túnel foram amostrados os seguintes tipos de rocha (seguindo a nomenclatura da obra): basalto denso (BD), basalto vesículo-amigdaloidal (BVA) e brecha basáltica (BB). Dois tipos de brecha basáltica foram amostrados, designados como brecha preta e brecha vermelha. As amostras ensaiadas são provenientes de duas diferentes técnicas de amostragem: (i) sondagens (NX - φ 54mm) realizadas nas paredes do túnel através de sonda rotativa e (ii) moldados a partir de blocos resultantes do processo de detonação (extraídos com amostrador de concreto φ 51mm). Para a realização dos ensaios, os corpos de prova foram cortados com auxílio de uma serra de disco diamantado no Laboratório de Pesquia Mineral e Planejamento Mineiro LPM/UFRGS, e as faces retificadas em uma freza, visando atender aos requisitos normativos da norma ASTM D Estes corpos de prova foram também utilizados para execução dos ensaios de compressão simples e triaxiais (em andamento). Também foram realizados ensaios sísmicos em corpos de prova moldados para realização dos ensaios de tração indireta ensaio brasileiro. Por conta disto, a altura média de uma parte dos corpos de prova foi de 110 mm (visando ensaios de compressão simples e triaxiais) e outra parte com uma média de 20 mm (visando ensaios de tração indireta). (localizado em um transdutor conectado a uma extremidade do corpo de prova) que converte este em uma onda de choque que é transmitida para amostra. Esta onda é captada por outro cristal fixado na outra extremidade do corpo de prova. Levando-se em conta as dimensões da amostra, a velocidade de propagação da onda pode ser calculada. Admitindo o meio homogêneo e isotrópico, a velocidade de propagação da onda é função apenas do módulo de elasticidade e do coeficiente de poisson do material. Sendo assim, a teoria da acústica possibilita a determinação de parâmetros elásticos dos materiais baseados nas velocidades de onda medidos. Adicionalmente, os ensaios sísmicos podem também ser utilizados na avaliação da integridade e homogeneidade das amostras, por exemplo, através da determinação do índice de qualidade proposto por Fourmaintraux (1976) apud Goodman (1989), ou simplesmente através de estudo comparativo dos valores de velocidades medidos em diferentes amostras, a exemplo deste estudo Equipamentos utilizados Para a realização dos ensaios foi utilizado um equipamento comercial Pundit 6, com transdutores de 1MHz de freqüência do LPM/UFRGS. Nota-se que a frequência utilizada condiciona o comprimento da onda, que deve ser compatível com a granulometria da rocha e as dimensões do corpo de prova, (ver ASTM D 2845) Ensaios sísmicos utilizados Os ensaios sísmicos utilizados consistem na medição das velocidades de propagação de ondas mecânicas longitudinais (de compressão) e transversais (de cisalhamento) ao longo de um corpo de prova. Um pulso elétrico de alta freqüência é transmitido para um cristal Figura 1: Aparelho utilizado na realização dos ensaios sísmicos.

3 Rotineiramente estes ensaios são realizados fixando manualmente os transdutores nas extremidades do corpo de prova (Figura 1). Entretanto, visando uma melhor repetibilidade dos ensaios e também a realização do estudo da variação da velocidade de propagação das ondas com o nível de tensão nos corpos de prova, foi projetada a adaptação de uma prensa manual para aplicação das cargas. O equipamento é basicamente composto de um pistão hidráulico equipado com manômetro, acionado por macaco hidráulico manual, possuindo cabeçotes adaptados para alojamento dos transdutores (Figura 2). aplicação da pressão é apenas o de garantir o acoplamento dos trandutores de uma forma padrão nos diferentes ensaios. Salienta-se que esta pressão representa apenas 2,5% do valor médio da resistência a compressão do tipo de rocha mais frágil estudada (brecha basáltica). Na terceira etapa foram ensaiadas as amostras provenientes da amostragem com sonda rotativa na parede do túnel, aplicando-se a carga padrão de 0,98 MPa. Nesta última etapa optou-se por realizar apenas os ensaios com a referida tensão padrão em conseqüência dos bons resultados obtidos com o uso deste método na etapa anterior, conforme apresentado a seguir. 4 RESULTADOS Na primeira etapa foram ensaiados 147 corpos de prova. Os valores médios obtidos estão apresentados na Tabela 1, acompanhados dos valores do desvio padrão, calculados a partir dos resultados obtidos em cada tipo de rocha, com vista a fazer uma comparação entre os diferentes métodos. Figura 2: Equipamento adaptado para realização de ensaio com carga aplicada. 3 METODOLOGIA Este trabalho apresenta os resultados obtidos através dos ensaios sísmicos para medição da onda de compressão Vp. Os ensaios foram divididos em três etapas. Na primeira etapa foram ensaiadas as amostras provenientes dos blocos de detonação, realizando-se o ensaio padrão (sem aplicação de carga nos corpos de prova). Na segunda etapa foram ensaiadas novamente as amostras provenientes dos blocos de detonação, em duas situações: aplicando-se uma carga padrão de 0,98 MPa e fazendo-se uma variação da carga aplicada em alguns corpos de prova. A pressão padrão foi escolhida como sendo a mínima pressão que poderia ser aplicada em virtude da resolução do sistema, já que o objetivo da Tabela 1: Valores obtidos na etapa 1 Material V.p. (m/s) Desvio P. BD ,9 BVA ,9 Brecha P ,7 Brecha V ,4 Na segunda etapa, no que se refere aos ensaios com aplicação de carga padrão, foram ensaiados 64 corpos de prova. Na Tabela 2 são apresentados os resultados obtidos. Tabela 2: Valores obtidos na etapa 2. Material V.p. (m/s) Desvio P. BD ,4 BVA ,4 Brecha P ,3 Brecha V ,7 Na Tabela 3 é apresentada a comparação entre os valores médios e o desvio padrão obtidos com os dois métodos.

4 Tabela 3: Comparação dos valores obtidos na etapa 1 para a etapa 2. Material VP. (m/s) Desvio P. BD +4,14% -0,35% BVA +2,89% -43,20% Brecha P -4,50% -40,58% Brecha V +9,23% -24,65% As seguintes observações são realizadas sobre estes resultados: (i) os valores de Vp medidos são substancialmente diferentes para os diferentes tipos de rocha amostrados; (ii) a aplicação de uma pressão padrão causou uma sensível redução na dispersão dos resultados, com exceção do Basalto Denso (Tabela 3), mas isto não foi acompanhado de alteração significativa dos valores médios (maior na Brecha Vermelha). Isto indica que a aplicação da pressão padrão garante uma melhor qualidade e repetibilidade dos resultados. No caso da Brecha Vermelha a alteração mais substancial do valor médio (~9%) pode estar relacionada ao fechamento de fissuras, indicando que o material é mais influenciado por esta técnica. Também na segunda etapa, foram realizados ensaios com variação da carga aplicada. Os gráficos apresentados nas Figuras 3 a 6 apresentam a variação da velocidade de propagação de onda com o aumento da tensão aplicada para cada tipo de material estudado. Este tipo de ensaio foi realizado em 15 corpos de prova (4 BP, 5 BV, 4 BVA e 2 BD) provenientes dos blocos de detonação. Figura 3: Relação entre tensão aplicada e velocidade de propagação de onda para basalto denso. Figura 4: Relação entre tensão aplicada e velocidade de propagação de onda para basalto vesículo-amigdaloidal. Figura 5: Relação entre tensão aplicada e velocidade de propagação de onda para brecha preta. Figura 6: Relação entre tensão aplicada e velocidade de propagação de onda para brecha vermelha. Verifica-se da análise dos resultados que não ocorre variação significativa na velocidade de propagação de ondas para o BD ou para o BVA, ao contrário do que se verifica para as duas brechas. O comportamento observado é explicado devido ao fechamento das microfissuras nas brechas. Na terceira etapa foram ensaiados 265 corpos de prova, aplicando-se uma carga padrão de 2 kn (0,98 MPa). A condição de umidade das amostras era a natural (~2%). A seguir são apresentados os valores resultantes desta etapa.

5 Tabela 4: Valores da velocidade de propagação obtidos para as amostras na terceira etapa do estudo. Material V.p. (m/s) BD 5672 BVA 5286 Brecha 4055 Para se ter uma melhor idéia dos valores da velocidade de propagação calculados comparando-se os dois diferentes métodos de amostragem utilizados, é apresentada uma tabela com a evolução dos valores medidos entre as duas técnicas. Tabela 5: Comparação dos valores da velocidade de propagação de onda entre as duas diferentes técnicas de amostragem. Material Comparação da V.p. (m/s) Blocos / Sondagem BD -0,83% BVA - 1,29% Brecha + 33,54% Para o basalto denso e o basalto vesículoamigdaloidal não se observa uma variação significativa dos resultados. Para a brecha basáltica é notada uma significativa variação nos valores medidos. Uma possível justificativa a esta diferença, constatada apenas para a Brecha, será apresentada juntamente com as conclusões da análise dos danos do proceso de escavação a seguir. Como o processo de sondagem na parede do túnel foi realizado através de furos executados radialmente ao eixo do mesmo, tentou-se, na terceira etapa, observar a influência do processo de escavação ao longo do maciço (danos da detonação e plastificação devido a redistribuição das tensões). Para isso, foram elaborados gráficos que apresentam a velocidade de propagação de onda de acordo com a distância de cada testemunho em relação à boca do furo (Figuras 7, 9 e 11). Figura 7: Comportamento da velocidade de propagação de onda de acordo com a distância da parede do túnel para o basalto denso (BD). Analisando o gráfico, observa-se no trecho inicial (~1m a partir da parede do túnel) uma leve tendência de aumento da velocidade ao se afastar da parede do túnel. Em seguida os valores situam-se próximos a um valor médio até os 7m a partir da boca do furo. Deste ponto até o final do furo as velocidades diminuem (~10%) mas conservam-se aproximadamente constantes neste novo valor. Quanto a variação na porção inicial do furo, embora a variação seja pouco superior a variabilidade dos resultados, acredita-se que esta tendencia indique o dano causado pelo processo de escavação junto a parede (~0,5m). A redução dos valores de Vp verificada no final do furo é justificada por uma alteração nas características da rocha observada neste trecho. Na porção final do furo as amostras apresentavam amígdalas ou seja, o furo de sondagem atingiu uma porção de BVA (Figura 8). Figura 8: Fotografia do material referente ao trecho final do furo em basalto denso, onde se observa alteração do tipo de rocha no trecho final do furo. A Figura 9 mostra o gráfico feito a partir do furo em basalto vesiculo-amigdaloidal (BVA).

6 Figura 9: Comportamento da velocidade de propagação de onda de acordo com a distância da parede do túnel para o basalto vesículo-amigdaloidal (BVA). Verifica-se que os valores de Vp são praticamente constantes ao longo de todo o furo de sondagem. A Figura 10 apresenta uma fotografia da caixa de sondagem referente ao trecho inicial do furo. enquanto que o trecho central é composto por uma porção mais alterada da Brecha (Figuras 12 a 14). Na observação visual da caixa de sondagem 1 (Figura 12) verifica-se pouca variação da rocha nos primeiros 2,86m de furo, ao contrário dos valores de Vp medidos. Este fato leva a concluir que é perceptível o dano da escavação nos primeiros 1,5m a partir do início do furo. E que a tendência da variação de Vp poderia ser representada pela linha inclinada indicada no gráfico. Esta interpretação não possui comprovação quantitativa, que poderia ser obtida através de análise química das rochas nas diferentes posições do furo de sondagem, mas os autores acreditam que as evidências visuais são suficientes para levar a esta conclusão e que a linha traçada representa a variação devido ao dano da escavação junto da parede. Figura 10: Fotografia do material referente ao trecho inicial do furo em basalto vesicular. A Figura 11 apresenta o gráfico da variação de Vp ao longo do furo de sondagem em brecha basáltica. Figura 12: Foto do trecho inicial (~0m a 3m) do furo em brecha basáltica. Figura 13: Foto do trecho intermediário (~3m a 7,5m) do furo em brecha basáltica. Figura 11: Comportamento da velocidade de propagação de onda com a distância da parede do túnel para a brecha basáltica. Neste caso ocorre grande variação nos valores de Vp medidos na Brecha Basáltica. Pela visualização das caixas de sondagem percebe-se claramente a variação do aspecto da Brecha ao longo do furo. Identificam-se três trechos distintos pela análise visual, sendo o primeiro e o terceiro compostos pelo mesmo material Figura 14: Foto do trecho final (~7,5m a 10m) do furo em brecha basáltica. Outra questão que se coloca a partir da análise dos resultados obtidos na brecha consiste na diferença entre os valores médios das diferentes técnicas de amostragem. Contrariando o que seria de esperar, as amostras de brecha

7 coletadas com sonda rotativa da parede do túnel consistem em um conjunto mais heterogêneo do que as amostras coletadas de blocos. Isto se explica devido ao fato de que na seleção dos blocos eram coletados apenas os materiais com aspecto brechoso comparável com o trecho central do furo de sondagem, enquanto que o furo de sondagem nitidamente atravessou diferentes tipos de materiais. Desta forma tornase difícil uma comparação baseada apenas no valor médio apresentado na Tabela 5. Acreditase que esta grande diferença está relacionada novamente ao tipo de material e não a danos causados pela amostragem. 5 CONCLUSÕES Em relação às litologias, embora pertencentes a uma mesma classificação litológica (andesitosbasaltos), três tipos de rocha foram identificadas no túnel em estudo, diferenciadas pela sua posição no derrame basáltico. As diferentes velocidades de propagação de ondas medidas para estes grupos confirmam estas diferenças. Com relação aos processos de amostragem, não foram verificadas diferenças expressivas na qualidade das amostras com diferentes métodos de amostragem no BD e BVA. Para as brechas foram verificadas diferenças nas velocidades medidas para os diferentes métodos de amostragem, porém essa diferença pode ter sido causada pela variação do material amostrado e não pelo procedimento de amostragem em si. A aplicação de uma tensão padrão durante a realização dos ensaios conduziu a uma grande diminuição da dispersão dos resultados, indicando que este método produz resultados mais confiáveis. Em relação à influência da variação da tensão aplicada na velocidade de propagação, vemos para o BD e o BVA não houve uma variação significativa na velocidade de propagação de onda para diferentes valores de tensão de compressão aplicadas, diferentemente das brechas, onde é evidente o aumento da velocidade nos incrementos iniciais de tensão. A possível causa desse comportamento é o fechamento das microfissuras, presentes com maior intensidade nas brechas. Em relação ao dano causado pelo processo de escavação ao longo do maciço, é possível identificar uma diminuição da velocidade de propagação de onda próxima à parede do túnel para o BD e para a Brecha. Essa mesma tendência não é clara no BVA. Várias das interpretações realizadas neste trabalho poderão ser confirmadas, ou não, após a finalização dos demais ensaios mecânicos nestes materiais. Embora este trabalho apresente uma série de resultados sujeitos a questionamentos devido às interpretações realizadas, pode-se citar, como principal conclusão, que os ensaios sísmicos podem ser utilizados com sucesso no auxílio de programas experimentais, tanto para caracterização de amostras como para verificação de danos nas mesmas. Na seqüência do trabalho serão avaliadas as correlações dos resultados dos ensaios sísmicos com propriedades mecânicas das rochas, medidas em ensaios de carregamento em laboratório. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo auxílio financeiro destinado a esta pesquisa, através do pagamento das bolsas de pesquisa e de estudo aos autores. REFERÊNCIAS ASTM D 2845 Standard Test Method for Laboratory Determination of Pulse Velocities and Ultrasonic Elastic Constants of Rock. American Society for Testing and Materials, ASTM Designation D ASTM D 4543 Practice for preparing rock core specimens and determining dimensional and shape tolerances. American Society for Testing and Materials, ASTM Designation D Goodman, R. E.(1989). Introduction to Rock Mechanics. 2nd ed. John Wiley & Sons. N. Y. p Leinz, V., Amaral, S.E. (1980) Geologia geral. Ed. Nacional, São Paulo, 8ed. 397p.