3 Modos de Falhas em Taludes de Grande Altura

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1 3 Modos de Falhas em Taludes de Grande Altura 3.1. Generalidades Os taludes na mineração a céu aberto que apresentam como principal característica as grandes alturas que podem alcançar, têm provocado uma grande interes dentro dos estudos de instabilidade. Segundo Sjöberg (1999), os modos de falhas que se apresentam em taludes mineiros e que principalmente são provocadas pela geologia estrutural da região, são mais provável de se manifestar nesse taludes de grande altura que em qualquer outro talude. Segundo Stavey (1968), existe uma série de fatores importantes que governam a estabilidade dos taludes das minas a céu aberto: Condições das tensões dentro do talude, incluindo o efeito das águas subterrâneas; A geologia estrutural (presença de planos, zonas de debilidade e anisotropia do talude); A geometria do pit (altura e inclinação); Fatores geotécnicos relacionados com o comportamento mecânico do talude (resistência da rocha intacta e das descontinuidades). Os fatores desse tipo são considerados fatores condicionantes, e são intrínsecos aos materiais naturais. No caso do maciço rochoso, como tem se falado anteriormente, a principal causa de instabilidade é a estrutura geológica, ou seja, a disposição e persistência das descontinuidades e o grau de fraturamento do maciço. Junto com os fatores condicionantes (passivo), existem fatores desencadeantes (ativos), os quais são capazes de provocar a ruptura sob uma combinação de condições. Esses fatores são externos e atuam modificando as características, propriedades e condições de equilíbrio do talude. Como exemplo desses fatores tem-se: Sobrecarga estática;

2 53 Cargas dinâmicas (vibração por uso de explosivos e eventos sísmicos); Câmbios das condições hidrogeologias; Fatores climáticos; Variação da geometria; Redução de parâmetros resistentes. O conhecimento de todo estes fatores permitirá uma correta análise do talude, o estudo do estado de estabilidade do mesmo, a projeção e medidas que se deveram adotar para evitar ou controlar os movimentos (Gonzalez de Vallejo et al.; 2002). Nas análises dos taludes nas minas a céu aberto, devem-se considerar os tipos de instabilidades que se apresentam geralmente neles, principalmente aquelas controladas por falhas que estão tipicamente manifestadas pelos seguintes modos (Baczinsky, 2000): Deslizamento de uma o mais descontinuidades geológicas (falha do tipo planar, cunha ou tetraédrica); Deslizamento com trajetória de falha circular o quase circular através da rocha intacta ou de tudo o maciço rochoso; Ruptura por tombamento; Deslizamentos que podem exibir até dois ou mais modos de falhas (falhas compostas). As falhas de o tipo planar ou cunha, comumente são controladas por estruturas ou descontinuidades pequenas (juntas e falhas menores) e manifestamse principalmente no nível das bancadas, onde o fator a considerar são as características estruturais que contém o maciço rochoso por trás da face das bancadas e a relação que existe entre a orientação das descontinuidades e o ângulo de inclinação da face da bancada. Quando a escala aumenta, as falhas controladas pelas estruturas menores são menos dominantes, e falhas mais complexas como do tipo Step-path (combinação de descontinuidade e a ruptura da ponte de rocha) começam a se desenvolver. Em uma escala maior do talude, existem dois tipos de falha especialmente a se considerar: as falhas do tipo circular ou rotacional e falha do tipo tombamento.

3 Modos de Falhas Os diferentes tipos de falha estão condicionados ao grau de fraturamento do maciço rochoso e a orientação das descontinuidades em relação ao ângulo de inclinação do talude. A sua estabilidade fica definida pela resistência nas descontinuidades e na matriz rochosa Falha por Cisalhamento de tipo Planar o tipo Cunha As falhas desse tipo estão referidas a varias combinações geométricas de descontinuidades, as quais formam blocos ou cunhas que são cinematicamente livres. A condicionante para que ocorra a falha depende de dois fatores: a resistência ao cisalhamento da descontinuidade ou a resistência na interseção das descontinuidades. A superfície de falha pode se desenvolver por uma única descontinuidade (falha de o tipo planar), duas descontinuidades interceptando uma com outra (falha do tipo cunha) ou uma combinação de descontinuidades interconectadas (falha do tipo Step Path ou do tipo Step Wedge). Devido que esse tipo de falha se desenvolve ao longo de uma descontinuidade (falhas menores ou combinação de juntas), a sua presença geralmente é encontrada no nível das bancadas dentro das minas a céu aberto, mas essa característica não deve se considerar como uma regra. Em maciços rochosos onde existam falhas maiores de grandes dimensões ou taludes que apresentem eventos onde umas séries de falhas menores ou juntas que se interconectem através da rocha intacta (pontes de rocha), também pode existe a possibilidade de desenvolver grandes trajetórias de falha (ao nível inter-rampa ou global) com características de falhas tipo plana ou cunhas Falha por Cisalhamento do tipo Rotacional A falha por cisalhamento do tipo rotacional ocorre tipicamente em talude com material tipo solo ou em maciços rochosos de muita baixa qualidade, onde há

4 55 um alto grau de fraturamento, e um comportamento isotrópico. Neste tipo de falha, não existe orientação critica de descontinuidades ou plano de fraqueza, e não existe nenhum controle estrutural associado à instabilidade, simplesmente o seu comportamento mecânico é condicionado pelo grande número de pequenas descontinuidades existentes. Segundo Hoek & Bray (1981), a condição para que ocorra esse tipo de falha é que as partículas individuais pertencentes a um solo ou maciço rochoso devem ser muito pequenas em comparação com as dimensões do talude e, essas partículas não estejam bloqueadas para o movimento por causa de sua forma. As trajetórias resultantes de falhas dentro de taludes de grande altura não precisam ser totalmente curvas, elas podem se combinar com planos de falha ou falhas do tipo step path, com ou sem trincas de tração no topo (crest) do talude com mostra a Figura 3.1. Figura Falhas rotacionais e combinação de falhas do tipo rotacional com falhas planas (Hoek e Bray, 1981)

5 Falha por Tombamento É um tipo de ruptura que implica a rotação e movimento dos blocos, onde a estabilidade deste não só está condicionada à resistência ao cisalhamento das descontinuidades, também depende da resistência às tensões de tração na base de cada bloco. Goodman & Bray (1976) descreveram três tipos de mecanismos de ruptura por tombamento: tombamento por flexão, tombamento de blocos e tombamento bloco-flexural. Tombamento Flexural O evento ocorre em taludes onde exista uma série de colunas de rocha continuas, separadas por descontinuidades bem definidas mergulhando na orientação contraria ao talude, onde, devido à ação do peso próprio, e dependendo do atrito, as colunas convençam a deslizar uma sobre outra e fletir, levando a uma ruptura por tração na base da lamina e, finalmente, ao tombamento das mesmas. Deslocamentos, escavações, ou algum tipo de erosão no pé do talude permitem o começo do processo do tombamento com a formação de trincas devido às tensões por tração que se desenvolvem na base das colunas. Sjöberg (1999) expõe que a ocorrência de ruptura por tombamento em talude de grande altura é governada principalmente por três fatores: Resistência e orientação das juntas; Resistência da rocha intacta; Deformabilidade (ou rigidez) do maciço rochoso. Conseqüentemente se o tombamento flexural ocorrer, primeiramente deve existir deslizamento ao longo das descontinuidades, o que depende da orientação e da magnitude da tensão cisalhante atuando na zona, e logo tensões capazes de provocar a ruptura da rocha intacta. Tombamento em Blocos Ocorre em rochas de elevada qualidade, onde existam colunas de rochas individuais formadas e limitadas por um conjunto de descontinuidades mergulhando em sentido contrário à face do talude e onde existe um segundo grupo de juntas ortogonais separadas e definindo a alturas de cada coluna, que mergulham de forma paralela ou sub-paralela à direção do talude.

6 57 As pequenas colunas que são formadas no pé do talude fletem devido carregamento provocado pela queda das longas colunas acima do talude, isto vai permitir o deslizamento no pé, permitindo maiores tombamentos dos blocos localizados na zona superior do talude. Tombamento em Bloco-Flexural É uma combinação de tombamento e deslizamento dos blocos, caracterizado por uma flexão pseudocontínua ao longo de colunas que são divididas por um grande número de juntas. A falha flexural ou o tombamento das colunas neste caso é resultado dos deslocamentos acumulados nas juntas transversais Condições Gerais dos Tipos de Falha Cada modo de falha e as suas probabilidades de ocorrência estão condicionados a fatores geológicos estruturais e às geometrias que sejam projetadas para os taludes da mina. As instabilidades geotécnicas, como tem se comentado anteriormente, são subdividas em dois grupos: instabilidades com controle estrutural (dependem das propriedades das descontinuidades e a sua orientação), instabilidades sem controle estrutural (dependem das condições e propriedades do maciço rochoso). Aquelas falhas com controle estrutural, que envolvem movimentos de blocos de rocha sobre uma ou mais descontinuidades, estão condicionados a uma serie de fatores: Falhas de o Tipo Planar (Hoek & Bray, 1981) Deve existir uma estrutura ou descontinuidade (plano de fraqueza) e pertencer ao domínio estrutural da zona; O plano sobre o qual o deslizamento ocorre deve formar um ângulo não maior a 20 com a face do talude (condição de sub paralelismo);

7 58 A descontinuidade deve aflorar na face do talude, ou seja, o ângulo do plano de fraqueza deve ser menor ao ângulo da face do talude; O ângulo da descontinuidade deve ser maior ao ângulo de atrito nesse plano (condição de resistência); O ponto final da falha, na zona mais elevada, pode aflorar na face do talude ou no topo, mas a descontinuidade pode se desenvolver em combinação com uma trinca de tração ou uma falha que aflore de igual forma; Na prática é necessário que existam planos ou juntas laterais que limitem o deslizamento. Falhas de o Tipo Cunha (Goodman, 1989) Devem existir duas estruturas ou descontinuidades (planos de fraquezas) que se interseptem definindo um bloco tetraedro (cunha); A linha de intersecção das estruturas deve aflorar na cara do talude; O ângulo das estruturas ou descontinuidades e da linha de intersecção devem ser de um valor tal que o ângulo de atrito das estruturas sejam insuficiente para manter a cunha estável. Tombamento (Toppling) O plano sobre o qual se encontra a estrutura ou descontinuidade deve formar um ângulo com a face do talude não maior a 30 (condição de paralelismo),

8 59 (Goodman, 1989); A estrutura deve mergulhar na direção oposta do ângulo da face do talude. O ângulo da estrutura deve cumprir a seguinte condição (Goodman, 1989): onde é o ângulo da descontinuidade; é o ângulo da face da bancada e : é o ângulo de atrito da descontinuidade, determinado para uma baixa pressão de confinamento. Falhas sem controle estrutural ou da descontinuidade Esses tipos de instabilidades geralmente ocorrem em materiais tipo solo, aterros sanitários, depósitos de material estéril e rejeito com materiais não consolidados. No caso de maciços rochosos, principalmente se apresentam em casos muito fraturados, sem nenhum controle estrutural ou de descontinuidades associados à falha. O fato de não ter estruturas predominantes ou planos de fraquezas, faz com que o maciço se comporte de forma isotrópica e o deslizamento fica livre de encontrar as zonas de menor resistência para desenvolver a trajetória de falha. Observações de falhas nesse tipo taludes confirmam que geralmente desenvolvem uma trajetória circular e a maioria das teorias de estabilidade utilizada nesse mecanismo está baseada nessa caracteristica. Falhas com um controle estrutural parcial Esse tipo instabilidade é a mais comum nos taludes rochosos de grande altura devido às características estruturais do maciço (ponte de rocha e descontinuidades) e o tipo de mecanismo de falha. A falha mais característica é do tipo Step path, falha de avance progressivo, onde a trajetória que descreve a superfície de deslizamento interconecta famílias ou sets de descontinuidades através da ruptura das pontes de rocha.

9 60 A sua análise deve considerar a orientação dos diferentes sistemas ou sets estruturais (família de descontinuidades) e as propriedades de resistência das estruturas e do maciço rochoso. Ao como nos casos onde a instabilidade do maciço é controlada pelas descontinuidades, as análises podem ser feitas pelo método de equilíbrio limite, usualmente bidimensionais e, também mediante modelos numéricos (2D ou 3D).