Mecânica das Rochas: Propriedades Mecânicas e Intemperismo

MECÂNICA DAS ROCHAS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Identificar a influência da alteração superficial nas propriedades mecânicas das rochas Reconhecer o efeito do alívio de tensões nas propriedades mecânicas das rochas devido à erosão Comparar as propriedades mecânicas de rochas intactas e alteradas Introdução O reconhecimento de tensões exercidas nos corpos rochosos ou alívio de ten sões por processos exógenos intemperismo erosão transporte deposição de sedimentos entre outros permite definir as áreas suscetíveis a problemas geotécnicos desastres e mudanças abruptas na paisagem As propriedades me cânicas das rochas implicam em parâmetros de descontinuidades litológicas tensão versus deformação critérios de ruptura e resistência ao cisalhamento Neste capítulo você vai estudar os processos que influenciam as propriedades mecânicas das rochas com ênfase naqueles regidos pela dinâmica externa da Terra Além disso vai conhecer os principais fatores que determinam as propriedades mecânicas dos diferentes tipos de rochas e suas alterações quando submetidas aos agentes modificadores Alterabilidade das rochas Alice Marques Pereira Lau Alteração superficial e propriedades mecânicas das rochas O intemperismo é um processo natural que atua sobre os solos e rochas causando sua decomposição ou desintegração Existem três tipos ou classificação de intemperismos de acordo com seu agente causador que pode ser químico físico ou biológico Quadro 1 Entre os processos que causam desgaste das rochas está a erosão e o material erodido da rocha terá por exemplo diferentes formatos e tamanhos Esse tipo de material é chamado de sedimento e pode ter origem magmática ígnea sedimentar ou metamórfica Qualquer tipo de rocha está sujeita às ações de agentes externos uma vez soerguidas ígneas sedimentares e metamórficas ou litificadas sedimentares Quadro 1 Tipos de intemperismo Tipo de intemperismo Exemplos Descrição Físico Alívio da pressão expansão da rocha durante a erosão Cristalização ou congelamento Expansão térmica Químico Dissolução Hidratação e hidrólise Oxidação Redução Carbonatação em parte por reação de troca Ocorre completa mudança nas propriedades físicas e químicas Verificase aumento no volume dos compostos secundários quando comparados aos minerais primários Biológico Ação de raízes e animais Ácidos orgânicos vegetais Combinação dos efeitos de intemperismo físico e químico induzidos por animais e vegetais Fonte Adaptado de Suguiro 2003 Uma vez desprendidos de sua fonte os sedimentos percorrem curtas ou longas distâncias a depender da topografia da área e dos agentes de transporte dessas partículas quer seja o vento a água ou o gelo Figura 1 Os sedimentos transportados por um longo período até a deposição em áreas de depressões acabam sendo mais trabalhados e retrabalhados tornando os grãos menores e menos angulosos Figura 1 Agentes de transporte de sedimentos Fonte Adaptada de Teixeira et al 2003 Esses fatores vão ditar a porosidade da rocha sedimentar que deu origem a tais sedimentos após a diagênese que é um processo de litificação de sedimentos e formação da rocha sedimentar A Figura 2 ilustra os processos de transformação de uma rocha em outra segundo a dinâmica interna e externa da Terra Figura 2 Ciclo das rochas Fonte Adaptada de Teixeira et al 2003 Alterabilidade das rochas 3 A porosidade da rocha é um dos fatores que vai ditar suas propriedades mecânicas como resistência à compressão deformabilidade e desgaste Em um período de estiagem os níveis dos reservatórios subterrâneos de água podem baixar de forma substancial e se o fluido estiver preenchendo os poros de uma rocha altamente porosa qualquer obra ou fundação preexistente em superfície estará sob ameaça de rebaixamento O intemperismo físico consiste na fragmentação ou fissura em materiais rochosos causando descontinuidades sem a ocorrência de alteração quí mica Geralmente está relacionado ao aumento de temperatura causando dilatação e posterior diminuição da temperatura acarretando compressão Os coeficientes de dilatação de cada componente das rochas são distintos e a presença de fraturas nessas formações as torna mais frágeis e suscetíveis a intrusões de água e outros elementos invasivos Esforços exercidos na superfície de terrenos com presença de rochas com planos de fraqueza fraturas falhas dobras e zonas de contato entre camadas podem levar a rompimentos ocasionando a movimentação de blocos rochosos de forma lenta ou rápida a depender da área Os planos de ruptura podem ter origem tectônica ou por ações externas como as exercidas pelo intemperismo A movimentação de blocos rochosos e de massas em superfície pode comprometer edificações e comunidades causando sérios danos materiais e de vida A Figura 3 mostra os quatro principais tipos de movimentos subaéreos de massa Em profundidade a movimentação de blocos também vai modificar a paisagem em superfície de forma mais intensa rebaixamento repentino do terreno ou menos intensa rachaduras nas paredes das residências Figura 3 Tipos de movimento de massa com ênfase nas velocidades dos processos Fonte Adaptada de Suguio 2003 Alterabilidade das rochas 4 O conhecimento da mecânica dos solos não envolve somente obras executadas pelo ser humano mas também possibilita o entendimento de mecanismos e fenômenos naturais como é o caso de rupturas em encostas quedas de barreiras que em muitos casos ocorrem sem qualquer relação com obras de engenharia Além disso a identificação dos modelos poten ciais de escorregamentos é um prérequisito fundamental para a análise da estabilidade e manipulação de taludes FIORI 2015 Para definir áreas e dimensões de uma determinada obra a inves tigação e controle de determinados condicionantes geológicos e geotécnicos como as coberturas de solos rochas rochas alteradas maciços rochosos matriz da rocha descontinuidades ações intempéricas e feições geológicas é imprescindível Isso pode ser feito por diferentes métodos direto indireto ou ambos de forma a alcançar os objetivos de forma racional compre endendo a geologia local e prevenindo danos por ações antrópicas construções e outros de impactos ambientais CHIOSSI 2013 Efeitos do alívio de tensões nas propriedades mecânicas das rochas Os sistemas de classificações de maciços rochosos são ferramentas importan tes para verificar e quantificar suas capacidades e qualidades e auxiliar nos projetos de geotecnia como escavações túneis pontes galerias e estabilidade de encostas entre diversas outras intervenções que envolvam materiais geológicos As classificações de maciços rochosos têm sido amplamente aplicadas em todo o mundo Essas classificações permitem identificar o material e sua estrutura e refletem o comportamento do maciço em função da obra implantada e das solicitações mecânicas impostas por ela Uma caracterização geotécnica reúne informações sobre os parâmetros de resistência grau de alteração deformação compressão consistência e faturamento O Quadro 2 exemplifica o emprego de tais parâmetros Alterabilidade das rochas 5 Quadro 2 Caracterização geotécnica de rochas Classificação petrográfica Grau de alteração Grau de resistência Grau de consistência Grau de fraturamento Granito Muito alterado Brando Quebradiço Mediamente fraturado Xisto Pratica mente são Resistente Consistente Muito fraturado Arenito Alterado Pouco resistente Consistente Ocasionalmente fraturado Fonte Adaptado de Chiossi 2013 Resistência Tal parâmetro de um determinado maciço descontínuo está condicionado às propriedades das partes de rocha sã intacta e de suas capacidades para deslizar e rotacionar em diferentes graus de tensão Essa propriedade é con trolada pelo formato das partes da rocha sã assim como pela condição das superfícies que separam essas partes blocos Blocos de rochas angulosos que apresentam descontinuidades resultam em um maciço rochoso mais forte do que aqueles com partículas arredondadas circundados por materiais alterados Dois principais tipos de critérios de resistência são amplamente aplicados em geologia de engenharia o de MohrCoulomb e o de HoekBrown No contexto de tensões mais comuns maior e menor σ1 e σ3 o critério de ruptura de MohrCoulomb é dado pela seguinte equação onde c é a resistência de coesão e ϕ é o ângulo de atrito do maciço rochoso Deformabilidade Este é um dos parâmetros que representa de forma satisfatória o comportamento mecânico de uma rocha em especial quando se refere a escavações em subsu perfície O módulo de deformação é tomado como base para muitos estudos geomecânicos das áreas Devido aos custos relativamente altos para análise de Alterabilidade das rochas 6 deformabilidade o módulo de deformação é frequentemente estimado de forma indireta a partir dos sistemas de classificação apresentados anteriormente ou respaldados na expertise do geólogo ou outros profissionais das geociências A deformabilidade é caracterizada pelo módulo da relação entre a carga aplicada e a deformação que resulta da sua aplicação GOODMAN 1989 Para os diferentes módulos temos as seguintes definições módulo de elasticidade ou de Young taxa de tensão que corresponde à deformação abaixo do limite de proporcionalidade de um material módulo de deformação de um maciço rochoso taxa de tensão correspondente à deformação durante a aplicação de carga num maciço rochoso módulo de elasticidade de um maciço rochoso a taxa de tensão correspondente à deformação durante a aplicação de carga na rocha incluindo apenas o comportamento elástico Saiba mais Uma rocha é uma associação de minerais em proporções definidas Suas ocorrências são de grande extensão O granito por exemplo é formado por quartzo feldspato e alguns teores de mica Certas rochas são constituídas de um único mineral sendo consideradas rochas e não minerais porque ocorrem em grandes volumes São exemplos o calcário cuja formação é essencialmente de calcita e o quartzo formado por quartzo Os minerais presentes em uma rocha podem ser essenciais definindo a natureza da rocha como vulcânicas etc ou acessórios que aparecem na rocha em quantidades pequenas e não afetam a classificação podendo definir uma variedade de rocha Um basalto costuma ter magnetita mas mesmo que não tenha continuará sendo um basalto As rochas podem ser agrupadas em três grandes grupos ígneas metamórficas e sedimentares SUGUIO 2003 TEIXEIRA et al 2003 Comparação das propriedades mecânicas de rochas intactas e alteradas As propriedades materiais das rochas às vezes são obliteradas ou modificadas pelas descontinuidades dos maciços rochosos No entanto isso não quer dizer que as propriedades do material inalterado devem ser desconsideradas quando se trata do comportamento de um maciço rochoso descontínuo Desse modo se as descontinuidades forem espaçadas ou se a rocha só for frágil e com algum grau de alteração suas propriedades podem influenciar fortemente o comportamento geomecânico do material geológico presente De modo mais amplo a presença de descontinuidades aumenta em importância na medida em que podem exercer um papel mais significativo nas propriedades geomecânicas do maciço rochoso do que as propriedades da rocha inalterada Um fator importante nas classificações das rochas é a seleção dos parâme tros de maior relevância Para fins geotecnia não há um índice ou parâmetro que por si só possa descrever de forma abrangente e de modo quantitativo um maciço rochoso que apresenta descontinuidades Cada parâmetro têm um significado diferente e somente se tomados em conjunto podem descrever um maciço de forma satisfatória O Quadro 2 apresenta as características que influenciam as propriedades mecânicas de rochas sãs até extremamente alteradas Quadro 2 Alteração das rochas e suas características Denominação Característica da rocha Rocha sã ou praticamente sã Apresenta minerais primários sem vestígios de alterações ou com alterações físicas e químicas incipientes Nesse caso a rocha é ligeiramente descolorida Rocha mediana mente alterada Apresenta minerais com grau de alteração médio e a rocha é bastante descolorida Rocha muito alterada Apresenta minerais muito alterados às vezes pulverulen tos e friáveis Rocha extrema mente alterada saprólito Apresenta minerais totalmente alterados e a rocha é intensamente descolorida gradando para cores de solo Fonte Adaptado de Suguio 2003 Quanto mais amostras e ensaios geomecânicos são realizados no material geológico de determinada área maior a precisão dos resultados e menor o número de erros de implantação de construções e outros projetos que im ponham condições de compressão tensão e outros esforços na área natural Alterabilidade das rochas 8 Trabalhos como o de Ribeiro Silva e Sansone 2013 trazem o emprego de um método para avaliar a abrasiviade por impacto deslizante que é realizado em condições de alta tensão e impacto de desgaste O método envolve uma ponteira cilíndrica com uma ponta cônica de 90 que em trajetória pendular atinge uma amostra de rocha com energia de impacto de 300 J e velocidade da ordem de 52 ms No estudo em questão o método é escolhido para análise de um pequeno número de amostras de rocha que representam qualitativamente os principais tipos encontrados em trabalhos de corte perfuração e britagem no Brasil Seus resultados têm correlação com outros ensaios consagrados como de resistência à compressão de desgaste e de dureza As análises estruturais das rochas podem revelar os tipos e mecanismos de deformação de forma abrangente Para fins de engenharia geotécnica o grau de alteração de uma rocha pode ser avaliado e caracterizado por exame visual ou por exames da porcentagem de alteração mineral porosidade e resistência Os processos intempéricos podem causar a deterioração das características propriedades geomecânicas de maciços rochosos As rochas desenvolvem perfis de intemperismo típicos os quais dependem de fatores intrínsecos tipo paragêneses textura estruturas etc e de fatores extrín secos clima drenagem relevo etc Ao longo dos perfis é comum as rochas apresentarem variações em suas propriedades geomecânicas incluindo redução da resistência e aumento da deformabilidade comprometendo as obras de engenharia Referências CHIOSSI N Geologia de engenharia 3 ed São Paulo Oficina de Textos 2013 FIORI A P Fundamentos de mecânica dos solos e das rochas aplicações na estabilidade de taludes São Paulo Oficina de Textos 2015 GOODMAN R E Introduction to Rock Mechanics 2 ed Hoboken Wiley 1989 RIBEIRO V SILVA L A A SANSONE E C Abrasividade pendular e a resistência mecânica das rochas Revista Escola de Minas Ouro Preto v 66 n 3 p 339345 julset 2013 SUGUIO K Geologia sedimentar São Paulo Edgard Blücher 2003 TEIXEIRA W et al Orgs Decifrando a Terra São Paulo Cia Editora Nacional 2003 Alterabilidade das rochas 9 Leituras recomendadas CLEMENTE I M et al Petrografia e caracterização físicomecânica de calcários or namentais das bacias Potiguar e do Araripe Geociências São Paulo v 35 n 3 p 372392 2016 GEOTECNIA Lisboa Sociedade Portuguesa de Geotecnia Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Sociedade Española de Mecánica del Suelo e Ingenieria Geotécnica n 135 nov 2015 LOPES M C et al Comportamento geotécnico de rochas brandas na mina Córrego do Sítio Santa Bárbara MG Revista Escola de Minas Ouro Preto v 60 n 3 p 471473 julset 2007 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 Alterabilidade das rochas 10 Conteúdo