Fatores que Afectam a Deformabilidade das Rochas e Comportamento Geomecânico

MECÂNICA DAS ROCHAS Identificar os fatores que afetam a deformabilidade das rochas Reconhecer as feições do comportamento elástico dúctil e rúptil da defor mação das rochas Determinar as propriedades geomecânicas das rochas na avaliação da re sistência e deformabilidade das rochas Introdução A mecânica das rochas é a ciência que estuda o comportamento da rocha quando submetida a esforços Tais esforços geram mudanças no estado natural de ten sões Essas mudanças se dão quando a tensão natural a síntese dos eventos geológicos que ocorreram com aquela rocha com um arranjo próprio de tensão gravitacional é redistribuída por uma tensão induzida gerada pelo homem Ou seja a tensão preexistente tensão natural é redistribuída a partir de uma intervenção humana É o caso de qualquer obra de engenharia A resposta das rochas às tensões stress ocorre por meio da deformação strain do maciço rochoso Tais respostas geomecânicas dependem de uma série de fatores do substrato geológico que condicionam a deformação de diversas formas como um comportamento elástico dúctil rúptil etc combinados com fatores externos Neste capítulo você vai estudar os fatores que afetam a deformabilidade das rochas Você também vai aprender a reconhecer as feições do comportamento elástico dúctil e rúptil da deformação das rochas Por fim você vai verificar como Estudo da deformação das rochas Cristiano Rocha Born Estudo da deformação das rochas Para entender como o pacote rochoso reage à deformação é necessário compreender a influência dos fatores condicionantes endógenos litológicos de pressão de temperatura etc e exógenos climáticos geomorfológicos antrópicos etc nesse processo O profissional que se habilita a trabalhar na área de geotecnia tem de levar em conta o contexto regional que condiciona toda a configuração de tensões que ele observará in situ no maciço rochoso De maneira resumida esses fatores condicionantes são descritos a seguir com base em Ramsay 1967 Estudo da deformação das rochas medida em que tal termo incorpora o conceito de perda das propriedades geomecânicas dos maciços rochosos como a densidade Condição de pressão de água no maciço a água o seu nível a movimentação sazonal e a sua relação com a porosidade e a permeabilidade produzem uma pressão hidráulica que interfere no conjunto de tensões e em diversos outros elementos como alterabilidade temperatura etc Tensão diferencial ao contrário da tensão confinante a tensão diferencial possui uma direção de maior intensidade A Figura 2a ilustra a tensão confinante e o seu contraste mostrando o carregamento estático de um corpo representando uma rocha carregada por forças F1 F2 Fn Já na Figura 2b ao ser criado um corte na rocha as forças necessárias para manter esse novo equilíbrio são denominadas forças normais e cisalhantes criando uma tensão diferencial HUDSON HARRISON 1997 Feições dos comportamentos elástico dúctil e rúptil da deformação das rochas A temperatura que é função da profundidade ou em casos pontuais da proximidade de algum ponto de calor e a pressão confinante acabam por gerar diferentes comportamentos reológicos nas rochas podendo estas assumirem comportamentos elástico dúctil ou rúptil A deformação elástica se caracteriza por uma deformação reversível não permanente A deformação rúptil se caracteriza quando predominam os processos de fragmentação O limite rúptil de um material é definido pela tensão acima da qual o comportamento deixa de ser elástico para se tornar rúptil conforme aponta a Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais CPRM 2020 Já o comportamento dúctil ou viscoplástico ocorre quando não se desenvolvem descontinuidades e prevalece o fluxo sem perda da continuidade da rocha MIOTO MAGALHÃES CAMPANHA 2018 Figura 3 Imagem de uma dobra elemento típico de um ambiente reológico dúctil em que a deformação predomina sobre a perda da coesãofragmentação típica do ambiente rúptil As descontinuidades que produzem o aspecto visual da dobra são as foliações Fonte suziedoePixabaycom Figura 4 Boudin estrutura típica de deformação dúctil Fonte USP 2020 p 56 Estudo da deformação das rochas 6 O limite entre os comportamentos rúptil e dúctil não é abrupto Existe um campo transicional no qual o comportamento pode ser classificado como dúctilrúptil ou rúptildúctil ou semidúctil quando há fluxo e ocorre algum fraturamento etc Os modelos mais básicos para classificar o comportamento das rochas e as relações entre tensões aplicadas e deformações sufridas seguem a nomenclatura apontada a seguir MIOTO MAGALHÃES CAMPANHA 2018 Figura 5 Ilustração gráfica do processo de fluência Fonte Jeremic 1994 apud FUNDAMENTOS 2010 p 44 O comportamento das rochas submetidas à ação de tensões sucessivas demonstra um comportamento elástico inicial com aumento do caráter dúctil com o aumento da pressão e da temperatura para um mesmo pacote rochoso conforme ilustra a Figura 6 Repare os padrões de extensão a d g j em que os sigmas σ estão saindo do pacote rochoso e os padrões de contração b e h k em que eles estão entrando e as deformações para cada tipo de comportamento reológico Estudo da deformação das rochas 8 Figura 6 Comportamento das rochas sob ação de tensões a extensivas e b compressivas Fonte Adaptada de Mioto Magalhães e Campanha 2018 Tanto na extensão quanto na compressão há um momento anterior à ruptura representando o comportamento elástico conforme observado na parte ascendente das curvas tensãodeformação 7a Nesse momento da trajetória de deformações ao se retirar a força aplicada as deformações são recuperadas e a amostra retorna ao seu estado inicial Entretanto a partir de um determinado momento a rocha não consegue mais manter o comportamento elástico Nesse momento a curva esforçodeformação sofre uma inflexão Esse ponto caracterizado pela inflexão da curva esforço deformação é denominado limite de elasticidade e a resistência corres pondente é denotada por σy A partir desse ponto a rocha pode manter deformações importantes antes de chegar ao limite de sua resistência σp sendo a máxima tensão que pode ser sustentada por uma estrutura que se encontra sob tração SANTIAGO 2015 Estudo da deformação das rochas 9 Figura 7 Comportamento tensão eixo Ydeformaçãoeixo X típico de materiais submetidos a carregamento compressivo a deformação elástica b deformação plástica inicial c completa deformação plástica d fraturamento devido à deformação plástica Fonte Santiago 2015 p 18 À medida que determinado esforço supera a resistência da rocha ocorre a ruptura sendo possível nesse ponto registrar o valor máximo de resistência à compressão simples ou uniaxial compressão sobre apenas um eixo O comportamento reológico do pacote rochoso e a relação entre os esforços aplicados e as suas respectivas deformações pode produzir como temos visto respostas diferentes como uma ruptura frágil instantânea ou violenta ou uma ruptura dúctil progressiva Propriedades geomecânicas das rochas É fundamental conhecer quais propriedades litológicas determinam o com portamento geomecânico dos pacotes rochosos a fim de conseguir avaliar de maneira objetiva a resistência e a deformabilidade do substrato Serão expostas a seguir algumas das principais propriedades geomecânicas das rochas e a forma de determinálas Estudo da deformação das rochas 10 A deformabilidade indica a rigidez da rocha O módulo de Young também conhecido como módulo elástico pode ser entendido como uma medida da oposição da rocha à deformação linear causada pela tensão aplicada SOARES 1992 Ele expressa a relação entre a variação de tensão e a variação de deformação axial deformação medida na direção da aplicação da carga Em outras palavras é um número que mede a resistência de um material para ser elasticamente deformado Onde o módulo de Young é constante a lei de Hooke F kx é obedecida Onde σ sigma é a tensão uniaxial ou força uniaxial por superfície unitária ε é a deformação elástica longitudinal do corpo de prova adimensional sendo uma deformação proporcional é medida pela mudança no comprimento dividida pelo comprimento original E é o módulo de elasticidade ou módulo de Young Pascal Resistência à compressão uniaxial simples A resistência à compressão uniaxial indica a capacidade da rocha de suportar esforços de compressão uniaxial É a relação entre a força máxima suportada pela rocha dividida pela área sobre a qual atua a força σcMPaForçaÁrea A aplicação de tensão de extensão sobre um corpo aplicada em uma direção promove expansão da amostra na direção da tensão aplicada e contração perpendicular Já se a tensão aplicada for de compressão há contração da amostra na direção da tensão aplicada e expansão nas direções perpendiculares conforme foi mostrado na Figura 7 e ilustra a Figura 8 A tensão de compressão gera expansão na direção perpendicular à tensão aplicada Fonte Santiago 2015 p 20 Massa específica ρ A massa específica indica o grau de compactidade da rocha Também conhecida por densidade expressa a relação entre massa e volume do pacote rochoso ρagcm³MassaTotalVolumeTotal Alguns dos fatores que influenciam a densidade das rochas são estado de alteração reações químicas dos minerais densos em minerais menos densos aumento de volume desses minerais porosidade rochas muito porosas são de baixa densidade já a resistência à compressão cresce com a densidade composição química O Quadro 1 apresenta os valores de densidade de alguns dos principais substratos encontrados Quadro 1 Densidade de materiais do substrato Rocha Densidade gcm³ Granito 27 Diorito 26 3 Basalto 28 3 Rocha de sal 21 26 Argila densa molhada 17 Carvão betuminoso 11 Arenito 25 Xisto 24 28 Mármore 27 Terra seca compacta 16 Terra molhada 20 Fonte Integra Center 2020 documento online Como consequência da densidade aplicada à geologia de engenharia temse a propriedade chamada escavabilidade Tal grandeza representa a capacidade de resistência da rocha à ação proporcionada pelos equipamen tos de escavação tanto os mecânicos como os explosivos BASTOS 1998 O Quadro 2 apresenta os dados relacionados a essa propriedade Quadro 2 Classificação dos materiais rochosos quanto à escavabilidade Grupo Material Exemplo Características 1 Friável e fluente Areia solo vegetal turfa areia movediça Partículas separadas ou muito pouco ligadas 2 Material brando Solos argilosos Partículas coesivas facilmente penetráveis por ferramentas e sem resistência à separação Continua Estudo da deformação das rochas 13 Continuação Grupo Material Exemplo Características 3 Rocha branda Folhelhos arenitos carvão calcários etc Razoavelmente dura fácil de ser britada os fragmentos se separam ao longo de diversas fraturas 4 Rocha dura Arenitos compactos granitos migmatitos Alta resistência à penetração e desagregação 5 Rocha muito dura Quartzitos diabásios rochas porfíricas Altíssima resistência à penetração e desagregação Fonte Silva Cerello e Muniz 2018 p 360 Porosidade n A porosidade é dada pela relação entre os espaços vazios nos interstícios das rochas e o volume total da rocha geralmente expressa em porcentagem sendo preenchidos por gases eou líquidos ηaVolumeVaziosVolumeTotal100 É importante lembrar que a porosidade é suscetível à influência de alguns fatores descritos a seguir Profundidade a porosidade é inversamente proporcional à intensidade da tensão aplicada na rocha isto é quanto maior a profundidade menor a porosidade Estado de alteração da rocha a alteração das rochas afeta as propriedades mecânicas dos maciços rochosos Em geral a interação das rochas com fluidos hidroptermais quer sejam endógenos ou exógenos tende a produzir minerais hidratados com estrutura cristalina aberta p ex micas zeólitas argilominerais Por isso o índice de porosidade de um maciço rochoso tende a ser maior nas porções alteradas do que nas porções isentas de alteração no mesmo maciço Forma e rugosidade dos grãos quanto mais angulares maior será a possibilidade de encaixe entre eles e menor será sua porosidade Figura 9 Figura 9 Relação entre forma e rugosidade dos grãos com a porosidade Fonte Sparks e Ayers 2010 documento online Há ainda uma consequência inevitável da porosidade em relação à defor mabilidade da rocha uma maior porosidade diminui o atrito entre os grãos da rocha diminuindo sua resistência e aumentando a deformabilidade e o fluxo hídrico Figura 10 Figura 10 Gráficos de porosidade x deformação resistência à compressão por porosidade UCS do inglês porosityunconstrained compressive strength Fonte Wuyep 2019 documento online Estudo da deformação das rochas 15 A porosidade se refere aos espaços vazios em um pacote rochoso enquanto a permeabilidade se refere à conexão entre tais espaços ou seja o quanto uma rocha consegue transmitir fluidos A imagem a seguir mostra uma rocha com elevada permeabilidade e porosidade Tratase de propriedades diferentes embora intimamente relacionadas Fonte Emerald EmmShutterstockcom Assim podese concluir que fatores globais condicionam a resposta que um pacote rochoso realiza frente a uma tensão o que é o primeiro passo para a compreensão de sua configuração geomecânica A rocha pode deformarse de maneira elástica dúctil ou rúptil e é possível identificar tais comportamentos por meio de determinados parâmetros de resistência e deformabilidade Referências BASTOS M J N A geotecnia na concepção projeto e execução de túneis em maciços rochosos 1998 Dissertação Mestrado em Georrecursos Instituto Superior Técnico Universidade Técnica de Lisboa Lisboa 1998 CPRM Glossário geológico ilustrado 2020 Disponível em httpsigepcprmgovbr glossario Acesso em 15 dez 2020 FUNDAMENTOS da geomecânica das rochas salinas 2010 Disponível em maxwell vracpucriobr23909239093PDF Acesso em 15 dez 2020 HUDSON J A HARRISON J P Engineering rock mechanics an introduction to the principles S l Elsevier Science 1997 INTEGRA CENTER Tabelas 2020 Disponível em httpwwwintegracentercombr portfoliobritanitedensidadehtml Acesso em 15 dez 2020 Estudo da deformação das rochas 16 MIOTO J A MAGALHÃES F S CAMPANHA G A C Estruturas e estado de tensões de maciços rochosos In OLIVEIRA A M S MONTICELI J J Geologia de engenharia e ambiental São Paulo ABGE 2018 v 2 p 400420 RAMSAY J G Folding and fracturinof rocks New York McGrawHill 1967 SANTIAGO K F F L Determinação das constantes elásticas estáticas e dinâmicas das rochas da Formação Sousa Bacia Do Rio Do Peixe PB 2015 Dissertação Mestrado em Exploração Petrolífera e Mineral Programa de PósGraduação em Exploração Petrolífera e Mineral Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande 2015 SIBSON R H Fault rocks and fault mechanisms Journal of the Geological Society s l v 133 n 191213 1977 SILVA C V CERELLO L MUNIZ C M Escavações em solos e rochas In OLIVEIRA A M S MONTICELI J J Geologia de engenharia e ambiental São Paulo ABGE 2018 v 2 p 357377 SOARES J A Um estudo da estabilidade mecânica de poços a partir de perfis geofísicos em formações pouco consolidadas 1992 Dissertação Mestrado em Geociências Centro de Geociências Universidade Federal do Pará Belém 1992 SPARKS AYERS Porosity 2010 Disponível em httpsslideplayercomslide4996588 Acesso em 15 dez 2020 USP Estruturas lineares e superposição de dobramentos 2020 Disponível em https edisciplinasuspbrpluginfilephp5662710modresourcecontent1Aula20420 20Dobras2C20estruturas20lineares20e20redobramentoMBpdf Acesso em 15 dez 2020 WUYEP E Evaluation of interactions between oilfield chemicals and reservoir rocks Natural Resources Research s l v 29 p 12391258 2020 Disponível em httpslink springercomarticle101007s11053019095233 Acesso em 15 dez 2020 Leituras recomendadas AADNOY B S LOOYEH R Petroleum rock mechanics drilling operations and well design S l Gulf Professional 2010 BARBOSA F C Engenharia e geotecnia princípios fundamentais Piracanjuba Conhe cimento Livre 2019 FRASCÁ M H B O et al Caracterização de agregados e de materiais rochosos para construção civil In OLIVEIRA A M S MONTICELI J J Geologia de engenharia e am biental São Paulo ABGE 2018 v 2 GROTZINGER J JORDAN T H Para entender a terra 6 ed Porto Alegre Bookman 2013 HAYETT A J DYKE C G HUDSON J A A critical examination of basic concepts as sociated with the existence and measurement of in situ stress In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ROCK STRESS AND ROCK STRESS MEASUREMENTS 1986 Stockholm Proceedings Stockholm Centek 1986 p 387396 IBGE Glossário geológico Rio de Janeiro IBGE 1999 Disponível em httpsbiblioteca ibgegovbrvisualizacaolivrosliv8304pdf Acesso em 15 dez 2020 JAEGER J C COOK N G W ZIMMERMAN R W Fundamentals of rock mechanics 4th ed S l Blackwell 2007 Estudo da deformação das rochas 17 OLIVEIRA A M S BRITO S N A Geologia de engenharia São Paulo ABGE 1998 POMEROL C et al Princípios de geologia técnicas modelos e teorias 14 ed Porto Alegre Bookman 2013 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Estudo da deformação das rochas 18 Conteúdo Soluções Educacionais Integradas