Mecânica das Rochas: Estabilidade das Escavações e Critérios de Ruptura

MECÂNICA DAS ROCHAS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Listar os fatores que afetam a estabilidade das escavações Calcular a resistência da rocha pelos critérios de ruptura de MohrCoulomb Griffith e Barton Identificar as situações de aplicação dos critérios de ruptura das rochas Introdução A partir dos parâmetros que afetam a resistência das rochas é possível obter por meio da aplicação de critérios de ruptura uma previsão do comportamento do maciço rochoso ante um esforço ou tensão gerada por causas naturais ou pela intervenção humana A previsão é muito importante para a compreensão do comportamento futuro do maciço e para a determinação de estratégias de escavação e contenção das estruturas Neste capítulo você vai estudar os elementos que interferem na estabilidade dos maciços rochosos Esses elementos impactam o planejamento e a execução de projetos de escavação Você também vai conhecer os critérios de ruptura de MohrCoulomb Griffith e Barton Tais critérios são utilizados na análise da resistência das rochas Além disso você vai ver algumas aplicações dos critérios de ruptura das rochas é preciso escolher ou combinar os critérios de acordo com o tipo de escavação e os objetivos de exploração Critérios de ruptura em materiais rochosos Aline Carneiro Silverol Fatores que afetam a estabilidade das escavações O aumento da disponibilidade de informações geológicas e de produtos cartográficos além de técnicas analíticas e outras metodologias moder nas para a investigação de depósitos minerais permitiu o incremento das operações que envolvem a mineração especialmente a subterrânea Além disso o aumento contínuo da profundidade da mineração subterrânea em boa parte do mundo e os ambientes rochosos desfavoráveis às escavações têm estimulado pesquisas sobre o desempenho do maciço rochoso sob alto estresse BRADY BROWN 2004 Para o estabelecimento da mineração subterrânea são necessárias diversas escavações Elas envolvem tanto a retirada e a remobilização de materiais rochosos e de solos quanto esforços relativos aos materiais que permanecem para a exploração e para a sustentação da mina Ainda é importante destacar o aumento das preocupações relativas à conservação dos recursos naturais e à segurança industrial e humana Esse fator contribuiu para a busca por alternativas de maximização da exploração e da recuperação das reservas minerais bem como de práticas e técnicas capazes de manter os locais de trabalho seguros e protegidos no subsolo Ambas as preocupações resultaram em maiores demandas pela compreensão do comportamento dos maciços rochosos O início de uma escavação envolve a aplicação de forças que não são distribuídas uniformemente pelo corpo rochoso Portanto os esforços e a distribuição da força em cada ponto do corpo são diferentes Considerando que um maciço rochoso apresenta características variadas ao longo de suas partes pode haver diferentes taxas de deslocamento de acordo com a na tureza das partículas presentes e também com a orientação da superfície sobre a qual se atua favorecendo o movimento Nesse sentido o objetivo de um projeto de escavação e de estruturação de uma mina é controlar o deslocamento das rochas para dentro e ao redor das escavações JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 Para que o objetivo seja atingido ou seja para que a escavação seja feita de maneira segura e sustentável ao longo do tempo na elaboração dos Critérios de ruptura em materiais rochosos 2 projetos devese observar um conjunto de fatores que afetam a estabilidade das escavações Os principais fatores são características geológicas regionais e locais propriedades do maciço rochoso presença de água subterrânea e intemperismo BRADY BROWN 2004 A resistência das rochas deve ser averiguada nos projetos de esca vação Isso é importante para evitar acidentes e perdas econômicas e humanas Características geológicas regionais e locais Os maciços rochosos podem ser definidos como sistemas estruturais com postos por rocha intacta ou pontes de rochas e famílias de fraturas Esses sistemas estruturais podem comportar diferentes litotipos comportamentos estruturais e parâmetros geomecânicos As rochas intactas consistem em porções de rocha que não apresentam fraturamentos ou planos de fraqueza Já o maciço rochoso apresenta porções de rocha intacta e zonas fraturadas e a sua resistência é diretamente relacionada às propriedades das descon tinuidades e da rocha intacta BAZCINSKY 2000 A estrutura geológica do maciço rochoso e a sua profundidade bem como as propriedades mecânicas de todas as falhas e fraturas e as ida des geológicas dos blocos rochosos que ocorrem na zona de influência da atividade de mineração devem ser definidas por procedimentos de exploração e testes de campo e laboratoriais adequados JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 As propriedades de resistência e deformação do corpo de minério e da rocha adjacente podem variar de acordo com as características levantadas e com os materiais e estruturas geológicas o conhecimento dessas propriedades contribui para a identificação de planos de fraqueza e suscetibilidade a rupturas Os planos de fraqueza observados em maciços rochosos correspondem a descontinuidades que podem ocorrer ao longo de contatos geológicos juntas falhas e foliações metamórficas Essas descontinuidades tornam o maciço rochoso um conjunto de blocos irregulares com propriedades físicas muito diferentes da rocha intacta o que por conseguinte in fluencia as características de resistência e de deformabilidade do maciço OLIVEIRA 2020 Critérios de ruptura em materiais rochosos 3 Propriedades do maciço rochoso Os maciços rochosos apresentam uma série de características que podem afetar o seu comportamento geomêcanico Tais características influenciam o planejamento e as ações relativas às escavações As fraturas nos maciços rochosos geralmente ocorrem em um campo de tensão de tração compressiva Esse tipo de tensão está associado ao atrito mobilizado entre as superfícies das microfissuras locais de início da fratura que reduz a resistência da rocha e facilita a propagação da tensão BRADY BROWN 2004 Figura 1 Figura 1 Fraturas em maciço rochoso Fonte ElzaRShutterstockcom Os efeitos de escala referemse à resposta da rocha à carga imposta pelo tamanho ou pelo volume de uma estrutura instalada ou da própria manipulação do maciço durante a escavação e a extração do minério As características da rocha como a presença de juntas e fraturas de origem geológica bem como outras características estruturais influenciam a sua resistência e as suas propriedades de deformação A demanda imposta pela estrutura associada às características geológicas e às descontinuidades como as juntas e as fraturas pode gerar redução da resistência do maciço rochoso Assim nos estudos para a escavação devem ser consideradas as várias escalas de carga às quais o maciço será submetido bem como os testes necessários para a averiguação da resistência BRADY BROWN 2004 Critérios de ruptura em materiais rochosos 4 A resistência de um maciço rochoso às intervenções necessárias durante a escavação como a abertura de taludes e a extração de minérios depende diretamente do fator de escala entre a superfície e a estrutura geológica do maciço A resistência à tração é outra característica importante do maciço rochoso A rocha se distingue de todos os materiais de engenharia comuns exceto o concreto por sua baixa resistência à tração Ou seja ela pode ser considerada um material sem tensão já que as tensões de tração não podem ser geradas ou sustentadas pela massa rochosa BRADY BROWN 2004 A implicação dessa propriedade para um projeto de escavação em rocha é que qualquer zona identificada pela análise como sujeita à tensão de tração vai na prática perder a tensão como consequência haverá uma redistribuição local de tensão Essa redistribuição pode resultar em uma instabilidade local momentânea da rocha ou um descolamento progressivo dos blocos rochosos que compõem o maciço rochoso BRADY BROWN 2004 Presença de água subterrânea A água subterrânea pode afetar o desempenho mecânico de um maciço rochoso de duas maneiras por meio da tensão efetiva e da alteração do maciço rochoso A presença de água sob pressão nas juntas dos blocos de rochas diminui a tensão efetiva normal entre as superfícies da rocha reduzindo o potencial de resistência ao cisalhamento e mobilizando o bloco rochoso por fricção O potencial de deslizamento em planos de fraqueza da rocha está relacionado à pressão da água na fissurafraturafalha e à distribuição da pressão da água subterrânea no domínio da mina JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 Além disso a presença da água subterrânea também pode alterar as pro priedades mecânicas das rochas devido à alteração dos minerais promovida pelas reações do intemperismo A alteração dos minerais pode diminuir o coeficiente de atrito da superfície da rocha e consequentemente a sua resistência Considere o preenchimento de fraturas com materiais argilosos ou outros materiais geológicos que ao entrar em contato constante ou intermitente com a água subterrânea podem amolecer ou se alterar com Critérios de ruptura em materiais rochosos 5 maior facilidade Isso reduz a resistência e aumenta a deformabilidade do maciço rochoso Rochas argilosas como xistos e argilitos calcários e rochas com sulfetos também podem perder resistência ao entrar em contato com a água BRADY BROWN 2004 Em toda manipulação do corpo rochoso necessária à escavação é preciso atentar às características associadas às rochas que afetam a sua capaci dade de resistência eou de falha em decorrência de determinada ação Para que as escavações sejam realizadas e a implantação da mineração subterrânea seja efetivada é necessário prever o campo de deslocamento gerado no corpo de minério e na rocha circundante por qualquer processo de escavação e extração de minério BRADY BROWN 2004 JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 Dessa maneira a escavação ou ampliação de qualquer abertura subterrâ nea é mecanicamente equivalente à aplicação ou indução de um conjunto de forças distribuídas sobre as superfícies geradas pela escavação A formação da abertura também induz um conjunto de deslocamentos na superfície de escavação Nesse sentido a partir do conhecimento da superfície submetida às forças e induzida aos deslocamentos é possível determinar as tensões as rupturas e os deslocamentos gerados em qualquer ponto interno do meio rochoso pela operação de mineração BRADY BROWN 2004 JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 A geometria dos taludes de minas a céu aberto está intimamente rela cionada com a locação espacial do minério e com os limitantes relacionados à estabilidade dos taludes e às características dos maciços rochosos Para que a extração dos recursos minerais seja potencializada muitas vezes os taludes de cavas precisam atingir grandes alturas e inclinações Quanto maior é a inclinação dos taludes mais instáveis eles se tornam consequen temente maiores são os riscos associados BRADY BROWN 2004 JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 A avaliação dos mecanismos de ruptura dos maciços rochosos é essencial para a mineração Afinal a geometria dos taludes pode assumir por exemplo mergulho e direção de mergulho variáveis que podem ser rapidamente mo dificados de acordo com o dinamismo do empreendimento BRADY BROWN 2004 JAEGER COOK ZIMMERMAN 2007 Figura 2 Critérios de ruptura em materiais rochosos 6 Figura 2 Grandes escavações envolvem sistemas complexos de taludes e potencialização dos efeitos de escala aumentando a tensão e a probabilidade de rupturas Fonte tele52Shutterstockcom Nesse contexto é cada vez mais necessário conhecer o comportamento de taludes e de potenciais mecanismos de ruptura associados Isso possibilita prever com mais exatidão possíveis regiões instáveis Para isso é importante compreender as condições de ocorrência de diversas rupturas e conhecer as condições que influenciaram cada ruptura bem como a forma e a localização do plano de ruptura A aplicação dos critérios de resistência à ruptura pode contribuir para a previsão da potencialidade de ruptura dos maciços rochosos Resistência da rocha pelos critérios de ruptura de MohrCoulomb Griffith e Barton As rupturas em rochas podem ocorrer de forma gradual ou violenta Isso depende da natureza dúctil eou fraturada do corpo rochoso da tensão e da força absorvidas pelo maciço Alguns problemas que acontecem no decorrer do projeto de escavação de mina como os que envolvem uma rocha articu lada em ambientes de massa e de baixo estresse podem ser analisados em termos de modelos de blocos e estática simples No entanto na maioria dos ambientes de mineração profunda a massa rochosa se comporta inicialmente como um corpo contínuo de modo que a previsão da resposta do maciço rochoso à mineração exige a compreensão prática dos conceitos de força tração deslocamento e tensão DEB VERMA 2016 JAEGE et al 2006 Critérios de ruptura em materiais rochosos 7 O mecanismo de ruptura dos maciços rochosos é muito complexo Na maioria das vezes é quase impossível determinar a sua raiz principal Afinal os maciços rochosos apresentam grande variabilidade de características em um mesmo conjunto Vários critérios de ruptura têm sido desenvolvidos e aperfeiçoados para a utilização em maciços rochosos ao longo dos anos Eles são aplicados de acordo com o que se deseja avaliar Nesta seção você vai conhecer os critérios de ruptura de MohrCoulomb Griffith e Barton A ruptura é uma consequência de um estado de tensão diferencial em algum ponto do maciço rochoso Tal estado promove a fadiga da rocha e consequentemente a sua deformação Cada critério pode fornecer uma previsão de ruptura a partir da modelagem de uma curva de tensão deformação Independentemente do critério utilizase o conceito de envoltória de ruptura ou de resistência que designa o lugar geométrico dos estados de tensão na ruptura Dessa forma estados de tensão inferiores aos da envoltória correspondem a situações de estabilidade Já a região acima da envoltória corresponde a estados de tensão impossíveis de ocorrer Critério de ruptura de MohrCoulomb O critério de MohrCoulomb considera que o colapso acontece quando a tensão cisalhante atuante no plano de resistência alcança o valor da tensão cisalhante de resistência do material Nesse sentido a teoria de ruptura atribui a ruptura do material à combinação entre as tensões cisalhantes τ e as tensões normais σ PENG ZHANG 2007 O critério de MohrCoulomb é definido pela curvatura composta pelos círculos relativos à ruptura da teoria de Mohr que são observados de forma experimental em materiais submetidos aos testes de ruptura Nesse critério existe uma envoltória de ruptura linear em relação a todos os círculos de Mohr que indicam combinações críticas ligadas às tensões principais A envoltória é comumente curva mas pode ser ajustada por uma reta no intervalo de tensões normais de interesse OLIVEIRA 2020 A equação de uma reta no intervalo de tensões normais para calcular o critério de resistência foi proposta por Coulomb Veja a equação Critérios de ruptura em materiais rochosos 8 Onde τ é a tensão cisalhante σ é a função da tensão normal c é a coesão φ é o ângulo de atrito Como você viu a equação proposta por Coulomb foi definida em termos das tensões normais σ e cisalhantes τ atuantes em um plano Na Figura 3 você pode ver o comportamento das tensões atuantes na superfície de resistência de MohrCoulomb Figura 3 Critério de ruptura de MohrCoulomb Fonte Oliveira 2020 p 53 O conceito do círculo de Mohr pode ser usado para expressar a função de resistência em termos das tensões principais σ1 e σ3 tensão principal maior e tensão principal menor respectivamente A seguir veja as funções associadas σ1σ3 2 σ1σ3 2 sen φ c cos φ F σ1σ3 2 sen φ σ1σ3 2 c cos φ Nas funções apresentadas o F é a função de resistência para o critério de MohrCoulomb nos termos das tensões principais Fσ1 σ3 De acordo com o critério de MohrCoulomb a tensão de falha sob compressão é maior do que aquela sob tração O critério de ruptura de MohrCoulomb é utilizado para a identificação do valor da componente cisalhante no possível plano de ruptura bem como da tensão atuante e da resistência interna ao cisalhamento O conhecimento prévio da resistência interna ao cisalhamento permite o dimensionamentos de estruturas rochosas e a verificação das condições de estabilidade dos maciços antes da escavação bem como no decorrer do processo de instalação de estruturas e exploração mineral Critério de ruptura de Griffith O critério de ruptura de Griffith 1921 se baseia nas fraturas existentes nos maciços rochosos Segundo Griffith as fraturas seriam causadas pela concentração de energia nas extremidades das pequenas fissuras que permeiam o material rochoso Desse modo a fratura seria iniciada quando a tensão máxima estivesse o mais próximo possível da extremidade promovendo rupturas no corpo rochoso PENG ZHANG 2007 Para corroborar a sua teoria Griffith considerou que a falha de tração ocorre quando a tensão efetiva se torna uma tensão de tração igualandose ou excedendo a resistência à tração da formação de acordo com a equação a seguir PENG ZHANG 2007 σ3T0 Onde T0 é a resistência à tração e σ3 é o efetivo mínimo de tensões de tração sendo negativo Para chegar a essa equação Griffith considerou os aspectos a seguir PENG ZHANG 2007 Se σ1 σ3 0 σ1 σ32 8T0 σ1 σ3 Se σ1 σ3 0 σ3T0 Já se σ3 0 a tensão atuante é uma compressão uniaxial e a Força Compressiva Uniaxial FCU pode ser obtida pela equação FCU 8T0 A equação demonstra portanto que a FCU é oito vezes a força de tensão O critério de ruptura de Griffith tem por objetivo prever o início da fratura do maciço rochoso que vai ou não resultar em um processo de ruptura a partir do crescimento de um vazio elíptico preexistente em uma superfície submetida a um esforço uniaxial de tração ROCHA 2010 A resistência mecânica estaria relacionada com as dimensões dos espaços vazios no interior dos materiais Para caracterizar seu comportamento mecânico seria necessário não somente compreender as tensões limites de resistência do material mas também determinar de forma experimental a tenacidade isto é a capacidade do material de se opor à fratura e consequentemente à ruptura ROCHA 2010 Critério de ruptura de Barton O critério de Barton referese a uma equação obtida empiricamente visando a obter a resistência ao cisalhamento de picos das descontinuidades juntas no maciço rochoso de forma a prever as tensões necessárias para a ruptura A seguir veja a equação do critério de ruptura de Barton e Bandis OLIVEIRA 2020 τ σn tg ϕb JRC log10 JCSσn Onde JRC é o coeficiente de rugosidade da junta σn é a tensão normal atuante na superfície da junta da rocha JCS é a resistência à compressão da junta ϕb é o ângulo de atrito interno básico da superfície de deslizamento Dessa maneira é possível obter a resistência ao cisalhamento das descontinuidades graças a três componentes LOPES 2006 a componente relacionada ao atrito a componente geométrica controlada pela rugosidade JRC e a componente de ruptura das asperezas controladas pela razão JCSσ Assim uma junta rugosa alterada cujas características são um JRC elevado e um JCS baixo sofrerá um dano maior durante o cisalhamento do que uma junta mais resistente e lisa com JCS alto e JRC baixo No entanto mesmo com essas características as juntas sofrerão baixa dilatação pois para haver alta dilatação é necessário que o JRC e o JCS sejam elevados LOPES 2006 Aplicação dos critérios de ruptura das rochas Como os projetos de engenharia especialmente os que envolvem materiais subterrâneos estão cada vez mais avançados implicando na maioria das vezes formações geológicas complexas intensificouse a necessidade de conhecer e compreender as características geomecânicas das rochas Muitas estruturas subterrâneas têm sido construídas em situações de complexidade geológica Veja exemplos em grandes profundidades onde há aumento da temperatura alto estresse in situ e alta pressão de poros em formações geologicamente jovens com rochas pouco consolidadas em áreas com falhas tectonicamente ativas eou com tensões anormalmente altas em formações altamente fraturadas com grande permeabilidade e baixa resistência do corpo rochoso em áreas com influência de água subterrânea alta percolação de águas superficiais e aceleração de processos de alteração intempérica O entendimento dos critérios de ruptura dos maciços rochosos é muito importante para a elaboração de projetos de escavações A força e a tensão necessárias para o rompimento dos corpos rochosos para a sua abertura e para a instalação de estruturas de sustentação geram tensões que dependendo das características das rochas bem como de sua disposição em um contexto local e regional podem acelerar processos de ruptura O critério de ruptura de MohrCoulomb pode ser utilizado para a avaliação de diferentes materiais sólidos como rochas materiais para construção civil e solos No caso das escavações e obras relacionadas à mineração os critérios de ruptura em maciços rochosos com falhas e fraturas são usados para prever o colapso das escavações no decorrer da abertura da cava e também em sua ampliação Além disso durante o próprio processo de perfuração há o aparecimento de fraturas induzidas que também causam muita instabilidade Por meio do critério de ruptura de MohrCoulomb esses e outros problemas relacionados a falhas fraturas e instabilidade podem ser previstos com precisão MALEKI et al 2014 Por sua vez o critério de ruptura de Griffith tem por objetivo avaliar a resistência das rochas e o ponto de ruptura considerando os campos de tensão existentes de acordo com as características geológicas e o fator de escala do empreendimento Já o critério de ruptura de Barton avalia a resistência dos maciços rochosos às rupturas por meio da avaliação das juntas e das descontinuidades existentes no maciço rochoso Referências BAZCINSKY N Steppath method for slope risks In GEOENG2000 AN INTERNATIONAL CONFERENCE ON GEOTECHNICAL AND GEOLOGICAL ENGINEERING 2000 Melbourne Proceedings Melbourne Australian Geomechanics Society 2000 BRADY B H G BROWN E T Rock mechanics for underground mining 3rd ed Dordrecht Springer 2004 DEB D VERMA A K Fundamentals and applications of rock mechanics Dehli PHI Learning Private 2016 JAEGER J C COOK N G W ZIMMERMAN R W Fundamentals of rock mechanics 4th ed Singapure Blackwell 2007 LOPES M C Comportamento geotécnico e mecanismos de ruptura em rochas brandas Mina Córrego do Sítio 2006 Dissertação Mestrado em Engenharia Mineral Departa mento de Engenharia de Minas Programa de PósGraduação em Engenharia Mineral Universidade Federal de Ouro Preto Ouro Preto 2006 MALEKI S et al Comparison of different failure criteria in prediction of safe mud weigh window in drilling practice EarthScience Reviews s l v 136 p 3658 2014 OLIVEIRA D M A Análise de estabilidade tridimensional e estudo de sensibilidade dos parâmetros condicionantes da ruptura de um talude de cava 2020 Dissertação Mestrado em Geotecnia Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas Programa de Geotecnia Universidade Federal de Ouro Preto Ouro Preto 2020 PENG S ZHANG J Engineering geology for underground rocks Berlin Springer 2007 ROCHA J A L Critério termodinamicamente consistente de fratura In ROCHA J A L Termodinâmica da fratura uma nova abordagem do problema da fratura nos sólidos Salvador EDUFBA 2010 Leituras recomendadas BRAJA D SOBHAN K Fundamentos de engenharia geotécnica São Paulo Cengage Learning 2014 CAPUTO H P Mecânica dos solos e suas aplicações 7 ed Rio de Janeiro LTC 2015 v 2 FERNANDES M M Manual de Mecânica dos solos conceitos e princípios fundamentais São Paulo Oficina de Textos 2016 v 1 RUDNEY C Q Geologia e geotecnia básica para engenharia civil São Paulo Blucher 2016 Critérios de ruptura em materiais rochosos 13 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 Critérios de ruptura em materiais rochosos 14 No text content available