15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental ESTUDO DOS FATORES CONDICIONANTES NO TOMBAMENTO DE BLOCOS EM TALUDE FERROVIÁRIO

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental ESTUDO DOS FATORES CONDICIONANTES NO TOMBAMENTO DE BLOCOS EM TALUDE FERROVIÁRIO Allan Erlikhman Medeiros Santos 1 ; Tatiana Barreto dos Santos 2 ; Larissa Regina Costa Silveira 3 ; Milene Sabino Lana 4 Resumo Existem diversos fatores que podem acarretar tombamento de blocos em encostas. Esses fatores; como inclinação da encosta, resistência das descontinuidades, dimensão dos blocos, entre outros; foram observados em um talude rochoso ferroviário. Para caracterização e obtenção de parâmetros dos maciços rochosos foram utilizados o Rock Mass Rating (RMR) e o Rock Tunnel Quality (Q). Além disso, foi aplicado o critério de Barton & Bandis (1982) na determinação de parâmetros de rugosidade. A análise de estabilidade foi feita a partir do Software Roctopple da Rocsicence, versão 1.0, que permite a análise de tombamento de blocos, com base no método proposto por Goodman & Bray (1976), onde a estabilidade é analisada para cada bloco, e estes são classificados em condições de estabilidade, como blocos estáveis, em deslizamento ou em tombamento. O maciço foi classificado como classe II, maciço bom, segundo o RMR e como classe V, maciço regular, segundo o sistema Q. O critério de resistência adotado na análise de estabilidade foi o critério de Barton & Bandis (1982) devido à presença de rugosidade na superfície das descontinuidades. Foram medidos os valores de amplitude da rugosidade de cada família para determinação do coeficiente de rugosidade da junta (JRC), sendo obtido um valor igual a 12 para as famílias. A resistência à compressão da parede da descontinuidade (JCS) foi estimada a partir do critério de Hoek & Brown (2002). Na análise de estabilidade foi obtido um fator de segurança entre 1,748 a 1,749, o que reflete a situação em campo onde não há registros de queda de blocos. Essa faixa de fatores de segurança foi obtida para inclinação da superfície basal, de difícil obtenção em campo, dentro da faixa proposta por Goodman & Bray (1976). Abstract There are several factors which can cause block toppling on slope hills. They have been observed in a railroad rock slope: dip of the hill, discontinuity strength, size of the blocks, among others. The characterization and estimation of strength parameters of the rock mass was possible through the application of Rock Mass Rating (RMR) and Rock Tunnel Quality (Q). Furthermore, the Barton & Bandis (1982) strength criterion was applied for determining roughness parameters. The stability analysis was made in Roctopple software, from Rocscience, version 1.0, which is based in toppling analysis method proposed by Goodman and Bray (1976). Stability is analyzed for each block, and the block is classified as stable, sliding or toppling. The rock mass was classified as class II, good, according to RMR and class V, regular, according to the Q system. The strength criterion used in the analysis was the one proposed by Barton & Bandis (1982), due to the presence of roughness in discontinuity surface. Amplitude values of surface roughness for each family were measured to determine the joint roughness coefficient (JRC), yielding a value of 12 for all families. The compressive strength of the discontinuity wall (JCS) was estimated through the criterion of Hoek & Brown (2002). In the stability analysis a safety factor of a was calculated, which reflects the field situation because falling blocks have not been observed in the area. This range of safety factors was valid for the inclination of the basal surface within the range proposed by Goodman & Bray (1976) as this surface is difficult to obtain in the field, Palavras-Chave Tombamento de blocos, encosta, classificação geomecânica, critérios de resistência. 1 Eng., Universidade Federal de Ouro Preto, (31) , allanboni@hotmail.com 2 Eng., Universidade Federal de Ouro Preto, (31) , tati.barreto12@gmail.com 3 Eng., Universidade Federal de Ouro Preto, (31) , larissacbq@hotmail.com 4 Eng., PhD, Universidade Federal de Ouro Preto, (31) , milene@demin.ufop.br 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho versa sobre o estudo dos fatores que condicionam o mecanismo de tombamento de blocos de um talude localizado na linha férrea que liga os municípios de Ouro Preto a Mariana, Minas Gerais. O talude possui coordenadas geográficas 20 23'34.8"S 43 29'58.3"W e pertence ao Grupo Sabará do Supergrupo Minas, um dos grupos mais novos da série estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero. A Figura 1 apresenta o talude objeto de estudo e sua localização, respectivamente. Figura 1. Talude ferroviário objeto de estudo e sua localização. O Quadrilátero Ferrífero possui riquezas que vão além do potencial econômico de sua província mineral, riquezas no sentido estrutural dos maciços que o compõem. Todos os eventos geológicos que culminaram em sua formação forneceram um ambiente rico e extremamente didático para os estudantes de geociências. O maciço em estudo se encontra nessa diversidade do Quadrilátero Ferrífero sendo possível a identificação visual de uma linha de tombamento de blocos e algumas cunhas isoladas. O talude possui cerca de 9 metros de altura e está localizado na borda de uma linha férrea o que motivou o estudo por questões de segurança, além do fato da inexistência de um banco de dados geotécnicos sólido para essa região. A Figura 2 mostra a formação de um bloco no passado. Figura 2. Formação de um bloco no maciço em estudo. O mecanismo que envolve o tombamento de blocos inicia-se quando colunas de rocha são divididas por juntas ortogonais largamente espaçadas, provocando a individualização dos blocos. As pequenas colunas formadas abaixo no talude são empurradas pela ação das forças exercidas pelos blocos superiores e deslizam, permitindo o tombamento das colunas superiores. Um dos fatores condicionantes no tombamento de blocos é a superfície basal de ruptura, que nesse mecanismo 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 possui a forma de escadaria. A determinação da superfície basal de ruptura não é um processo trivial, embora associada à descontinuidade basal, porém muito importante para análise da estabilidade do conjunto de blocos. O presente trabalho estudou a relação dessa superfície basal com a estabilidade dos blocos do maciço, a partir da utilização do software Roctopple da Rocscience, versão METODOLOGIA O trabalho foi estruturado em etapas de forma a obter os parâmetros necessários para a análise de estabilidade da encosta em relação ao tombamento de blocos. A primeira delas foi o mapeamento geológico-geotécnico, onde foram realizadas as classificações geomecânicas para obtenção dos parâmetros de resistência do maciço e aplicação do critério de Barton & Bandis (1982) para estimativa de JRC e JCS, além de análise cinemática para identificação dos modos de ruptura presentes. As etapas seguintes foram o tratamento de dados e a análise de estabilidade no software Roctopple, versão 1.0 da Rocscience. 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA ESTUDADA 3.1. Contexto Geológico O talude em estudo está localizado no Grupo Sabará do Supergrupo Minas, um dos grupos mais novos da série estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero (Alkmim e Marshak, 1998), onde a litologia básica é composta por rochas metavulcânicas, xisto verde, clorita xisto, filito e quartzito, com lentes de conglomerado, rochas alumino-ferruginosas e formações ferríferas. A litologia predominante no talude analisado é composta por xisto. A Figura 3 mostra o mapa geológico da região, em destaque no retângulo posicionado no mapa está a localização do talude em estudo. Figura 3 Mapa geológico da região de Ouro Preto modificado de CODEMIG, Minas Gerais (Estado). Em campo foram feitas as leituras das atitudes de todas as descontinuidades presentes na porção do maciço estudada e com auxílio do software Dips, versão 6.0, da Rocscience Inc, foi possível a definição de três famílias, sendo umas delas a xistosidade, família 2 e família 3, com atitudes de 37/194, 44/139 e 48/040, respectivamente. A face do talude possui atitude de 88/ º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 3.2. Classificação Geomecânica Classificação segundo o RMR (Rock Mass Rating) Para a classificação do RMR básico é necessário ter conhecimento dos seguintes parâmetros: resistência à compressão uniaxial da rocha, RQD, espaçamento entre as descontinuidades, condição das descontinuidades e condição de água. Para determinar a resistência à compressão uniaxial da rocha foi utilizado o Esclerômetro de Schmidt tipo N, sendo obtido um valor médio de rebotes igual a 27,7. A equação utilizada para relacionar o número de rebotes do esclerômetro com a resistência à compressão uniaxial da rocha foi a equação proposta por Shalabi et. al. (2007), que foi desenvolvida empiricamente para xistos. Como a equação proposta estima a resistência a partir de ensaio com esclerômetro do tipo L, foi necessário a utilização de equação de correlação entre os resultados obtidos a partir dos dois tipos de esclerômetro, proposta por Aidin e Basu (2005). Para o maciço, o valor obtido foi: Os espaçamentos foram medidos com auxílio de trenas e réguas, sendo medidos os espaçamentos da xistosidade e das famílias 2 e 3. Os resultados médios obtidos em campo foram de 42 cm, 44,67 cm e 30,06 cm para as famílias 2, 3 e xistosidade respectivamente. Para obtenção do RQD utilizou-se a fórmula proposta por Palmström (1996), onde a contagem volumétrica de juntas foi determinada a partir dos espaçamentos médios de cada família, ou seja, (1) (2) (3) A condição das descontinuidades engloba a persistência, abertura, rugosidade, preenchimento e alteração das descontinuidades. A faixa de persistência foi estimada em cerca de 10 metros para família 2 e 3 e a xistosidade em cerca de 15 metros. Em relação a abertura, as famílias 2 e 3 apresentaram um valor sempre menor que 1 mm, e não foram observadas aberturas na xistosidade. A rugosidade presente nas famílias 2 e 3 são classificadas como ligeiramente rugosas e no caso da xistosidade foi observada uma condição de lisa. Não houve observação de preenchimento nas descontinuidades. Em relação ao grau de alteração todo o maciço foi classificado como moderadamente alterado, pois preserva a coloração original e possui uma resistência alta. Para condição de água foi determinado o talude como completamente seco, para determinação do RMR básico. O valor encontrado para o RMR foi de 64, logo o maciço foi classificado como Classe II, ou seja, maciço bom. Aplicando o RMR para a obtenção de parâmetros de resistência do maciço rochoso, segundo o critério de Hoek-Brown (2002), foram encontrados um ângulo de atrito de 35 e uma coesão de 1,64MPa. (4) Classificação segundo o Sistema Q Para a classificação segundo o Sistema Q é necessário ter conhecimento dos seguintes parâmetros: RQD, número de descontinuidades (Jn), rugosidade (Jr) e grau de alteração da parede das descontinuidades (Ja). O índice de qualidade da rocha é o mesmo do RMR, logo o valor é de 85%. As famílias identificadas em campo foram duas juntas e uma xistosidade, ou seja, três famílias. Não foi observado deslocamento relativo nas famílias de descontinuidades. Para as famílias 2 e 3 foi observado certo grau de rugosidade, obtendo-se um valor de Jr de 1,5. Para a xistosidade a parede é lisa e plana, com um grau muito pequeno de rugosidade, logo o valor de Jr foi de 1,0. As paredes 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 de todas as famílias que compõem o afloramento do maciço apresentam baixo grau de alteração apenas uma leve descoloração, logo o valor de Ja para as famílias é de 1,0. O cálculo para o Sistema Q foi feito a partir dos resultados obtidos, logo: para as famílias 2 e 3, (5) para a xistosidade, A classificação segundo o Sistema Q foi diferente para o conjunto de descontinuidades, sendo para a xistosidade classe V e para as famílias 2 e 3 classe IV, logo classifica-se o maciço como classe V. (6) 3.3. Análise Cinemática O ângulo de atrito básico das descontinuidades foi estimado em 38 a partir de parâmetros encontrados na classificação geomecânica do maciço. Utilizando o software Dips, versão 6.0, Rocscience Inc, as probabilidades de ruptura por cunha e tombamento de blocos foram calculadas, fornecendo valores de 11,14% e 46,88%, respectivamente. As Figuras 4 e 5 mostram o cálculo dessas probabilidades no software Dips. Figura 4 Probabilidade de ruptura por cunha. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 Figura 5 Probabilidade de ruptura por tombamento de blocos Estimação do JRC e JCS Para o cálculo do JRC (Coeficiente de Rugosidade das Juntas) foi utilizado o critério de Barton & Bandis (1982) devido à existência da rugosidade presente nas descontinuidades do maciço. Para aplicação do critério de Barton & Bandis (1982) foram determinadas as amplitudes das ondulações das superfícies de descontinuidade (A) e a distância de amplitude (x). A Figura 6 ilustra a forma de obtenção desses parâmetros. A partir desses dados, foi possível estimar o ângulo de dilatância (i) da rugosidade das descontinuidades. Figura 6 Estimativa das amplitudes das ondulações das superfícies de descontinuidade (A), distância de amplitude (x) e ângulo i. As médias das amplitudes e ângulo de dilatância para a xistosidade foram de 0,71 cm e 7. Para a família de descontinuidade 3 as médias das amplitudes e ângulo de dilatância foram de 0,58 cm e 12. A partir do ábaco proposto por Barton & Bandis (1982) foi estimado o valor de JRC, como mostrado na Figura 7, sendo que para a xistosidade (a) e família 3 (b) foi de º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 Figura 7 Obtenção de JRC. Para estimativa do valor de JCS, por se tratar de um maciço com baixo grau de alteração, utilizou-se a expressão conforme o critério de Mohr-Coulomb, dado pela equação, sendo que os valores dos parâmetros de resistência foram obtidos através da classificação geomecânica realizada e descrita anteriormente, pelo critério de Hoek & Brown (2002), sendo que o valores da coesão (c) e do ângulo de atrito interno (ϕ) foram iguais a 1,64 MPa e 35º, respectivamente. Logo, tem-se: (7) (8) 3.5. Aplicação do Sistema Q A partir da equação de Palmström (2001) foi possível a obtenção do ângulo de atrito da descontinuidade, porém como se trata de descontinuidades rugosas para a obtenção do ângulo de atrito residual é necessário retirar o valor da dilatância, logo, para a Xistosidade, o que implica em um valor de ϕ de 45, como o ângulo de dilatância da xistosidade é 7, então o ângulo de atrito básico é de 38. Para a Família 3, tem-se, (9) (10) 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 Fator de segurança o que implica em um valor de ϕ de 56, como a dilatância da rugosidade da xistosidade é 12, então o ângulo de atrito básico é de ANÁLISE DE ESTABILIDADE O conjunto de dados adquiridos ao longo do trabalho descritos até o momento foi introduzido no software Roctopple, versão 1.0, Rocscience Inc, a fim de analisar a estabilidade do talude quanto ao tombamento de blocos. Os dados que compõem a geometria do talude são a altura e inclinação do talude, ângulo de topo do talude, espaçamento e mergulho referente à descontinuidade que tomba e a inclinação da descontinuidade que desliza, sendo que todos estes parâmetros são fixos, com exceção da inclinação da superfície basal, que pode ser variada segundo os critérios de Goodman e Bray (1976). Os parâmetros da geometria do talude se encontram na Tabela 1. Tabela 1. Dados da geometria do talude Geometria do Talude Talude Descontinuidade que tomba Altura 5.0 metros Espaçamento 0.44 metros Mergulho 88 Mergulho 48 Mergulho Plano de Topo 0 Inclinação Superfície Basal (faixa para variação) Para a faixa proposta por Goodman e Bray (1976), 47 a 67, é possível observar um padrão uniforme para o fator de segurança, como mostra a Figura 8. Vale ressaltar que nesta faixa proposta por Goodman e Bray (1976) o fator de segurança obteve a menor variação sendo de 1,748 a 1,749, o que reflete que essa faixa de inclinação da superfície basal não altera os resultados da análise. 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 1,65 1, Ângulo da superfície basal Figura 8 Influência da Superfície Basal no Fator de Segurança. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8

9 5. CONCLUSÕES Os resultados das classificações geomecânicas aplicadas ao maciço, RMR e índice Q, estão dentro do esperado, pelas características da rocha vista em campo, sendo que o maciço foi classificado como classe II, bom, segundo o RMR, e como classe V, regular, segundo o sistema Q. A faixa proposta por Goodman & Bray (1976) para a inclinação da superfície basal de ruptura, de 47 a 67, é a faixa em que o fator de segurança tem a menor variação e apresenta um comportamento aparentemente uniforme, entre 1,748 a 1,749, o que permite afirmar que a inclinação da superfície basal para o talude em estudo obedeça a essa faixa proposta. Este resultado obtido para o fator de segurança do tombamento de blocos do maciço confirma o comportamento em campo, pois o talude é estável e não há registro de blocos ao longo das margens do talude. Para futuros trabalhos fica sugerido a análise probabilística para o tombamento de blocos, com ajustes de distribuição de probabilidades para os parâmetros, o que reflete em uma análise mais profunda da situação. REFERÊNCIAS AYDIN, A.; BASU, A. (2005). The Schmidt hammer in rock material characterization. Engineering Geology. V. 81 p ALKMIM F.F. & MARSHAK S Transamazonian orogeny in the southern São Francisco Cráton region, Minas Gerais,Brazil: evidence for Paleproterozoic collision in the Quadrilátero Ferrífero. Precambriam Research, 90: BARTON, N. & BANDIS, S. (1982). Effects of Block Size on the Shear Behaviour of Jointed Rock. Issues in Rock Mechanics. In Proceedings of 23 rd US Symposium of Rock Mechanics (eds RE Goodman & F.E. Heuze), Berkeley, California, pp AIME, New York; GOODMAN, R. E. & BRAY, J. W. (1976). Toppling of rock slopes. In: Proceedings of the specialty conference rock engineering for foundations and slopes. Boulder, CO: American Society of Civil Engineers, Minas Gerais (Estado). Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais (CODEMIG). Mapa Geológico de Ouro Preto, mapa, color., 106,6 x 76,2 cm. Escala: 1: PALMSTRÖM A, SINGH R. (2001): The deformation modulus of rock masses compari-sons between in situ tests and indirect estimate. Tunneling Underground Space Technol 2001; 16: PALMSTRÖM, A. (1996). The rock mass index (RMi) applied in rock mechanics and rock engineering. Journal of Rock Mechanics and Tunnelling Technology, vol. 2, Number 1. SANTOS, A.E.M., Estudo dos Fatores Condicionantes do Tombamento de Blocos em Talude Ferroviário folhas. Trabalho de Conclusão de Curso Departamento de Engenharia de Minas Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, SHALABI, F.I.; CORDING, E.J.; AL-HATTAMLEH, O.H. (2007). Estimation of rock engineering properties using hardness tests. Engineering Geololgy. V. 90: pp. SHOREY, P.R., BARAT, D., DAS, M.N., MUKHERJEE, K.P. and SINGH, B. (1984). Schmidt hammer rebound data for estimation of large scale in-situ coal strength. Tech Note Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 21: º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 9