Propriedades e Identificação das Rochas em Geotecnia

MECÂNICA DAS ROCHAS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Reconhecer as propriedades de identificação das rochas em geotecnia Identificar as propriedades mecânicas das rochas Comparar as propriedades mecânicas das rochas intactas e das rochas alteradas Introdução A identificação das propriedadesíndice e mecânicas das rochas tem uma grande importância no projeto de diversas atividades civis nas quais estão envolvidas modificações do estado in situ de maciços rochosos O conhecimento dessas propriedadesíndice possíveis de serem avaliadas em laboratório ou no campo possibilita a classificação das rochas e dos maciços rochosos de acordo com vários critérios técnicos A classificação dos maciços rochosos depende naturalmente do estado da matriz rochosa rocha intacta e das superfícies de descontinuidades que intersectam esse maciço VALLEJO et al 2002 O profissional de geotecnia deve ter em mente que as propriedades físicas podem ser medidas com relativa facilidade em laboratório e que uma pequena variação de seus valores não implica uma mudança substancial no comportamento e no equilíbrio dos solos e rochas Entretanto as propriedades físicas podem Definição e propriedades mecânicas das rochas Lanna Caroline Normando variar muito em função de condições externas como precipitação pluviométrica ocupação anisotrópica entre outras FIORI 2013 Neste capítulo você estudará sobre as propriedadesíndice e mecânicas das rochas identificandoas nas rochas intactas e nas alteradas Além disso conhecerá a divisão do estudo geotécnico das rochas sob o ponto de vista didático em a propriedades ou índices físicos inerentes da rocha e b parâmetros de resistência da rocha às solicitações mecânicas resultantes de esforços aplicados à rocha Por fim você conhecerá as principais propriedades físicas e geomecânicas que influenciam o comportamento geotécnico das rochas Propriedades de identificação das rochas índices físicos A identificação precisa das rochas é um dos primeiros passos na avaliação do terreno a ser utilizado em obras de engenharia a qual pode ser obtida por estudos petrográficos macroscópicos eou microscópicos As rochas intactas são constituídas por um aglomerado mais ou menos compacto de grãos cristalinos e em alguns casos matéria amorfa A Figura 1 a seguir apresenta alguns exemplos de rochas com diferentes tipos de texturas rela cionadas com os processos genéticos que as formaram isto é magmatismo sedimentação e metamorfismo Figura 1 Texturas de diferentes tipos de rochas Fonte Oliveira 2006 documento online As rochas são constituídas por minerais interligados entre os quais existem descontinuidades ou vazios Dessa maneira as propriedades da matriz rochosa dependem das características dos grãos minerais tais como o tamanho e o arranjo espacial dos grãos As propriedades tanto físicas quanto químicas Definição e propriedades mecânicas das rochas 2 atuam diretamente na resistência das rochas às solicitações das tensões decorrentes de obras de engenharia e dos esforços naturais p ex força da gravidade tensões tectônicas etc A forma a quantidade e a distribuição das descontinuidades ou vazios também afetam a resistência das rochas às solicitações mecânicas Confira a seguir como as rochas podem ser identificadas por suas pro priedades físicas Porosidade As descontinuidades representam os vazios existentes no aglomerado de minerais constituintes da matriz rochosa A presença e o desenvolvimento desses vazios se relacionam com a deformação e a rotura das rochas A quantidade de vazios ou índice de vazios é avaliada pela porosidade 𝜙 que é a razão entre o volume de vazios de uma amostra de rocha Vv e o seu volume total Vt conforme Equação 1 Equação 1 Expressão para o cálculo da porosidade percentual Os vazios são constituídos pelos poros e pelas fissuras da rocha e não estão necessariamente todos interligados Dessa maneira a porosidade total de uma rocha resulta da porosidade correspondente aos poros e da porosidade das fissuras Por isso é conveniente definir dois tipos de poro sidade para as rochas a total e a efetiva Esta última sempre menor que a primeira por considerar apenas os poros interconectados e que permitem a passagem de fluidos Outro tipo de classificação da porosidade se refere à presença de alte rações nas rochas enquanto a porosidade primária se refere apenas aos vazios dos poros originalmente presentes nas rochas a secundária engloba os vazios resultantes de fraturamento e alterações p ex dissolução que ocorrem posteriormente ao processo diagenético Além disso enquanto a primeira classificação é característica de toda a massa rochosa a segunda depende da história de alteração da rocha podendo variar muito no mesmo maciço rochoso ROCHA 1981 TIAB DONALDSON 2015 Assim como o índice de vazios a porosidade é uma medida da densidade do solo Entretanto o índice de vazios que se relaciona com o volume de sólidos representa uma medida mais adequada dos estudos de variações Definição e propriedades mecânicas das rochas 3 volumétricas de solos do que a porosidade pois ainda que a variação do volume do terreno envolva a variação do volume total o volume da parte sólida permanece constante FIORI 2013 Peso específico dos grãos O peso específico γ é uma medida do peso por unidade de volume da rocha ou ainda a relação entre o peso da amostra seca Ps e o volume total da rocha Vt conforme descrito na Equação 2 Essa é uma propriedade que se relaciona diretamente com a composição mineralógica da rocha Equação 2 Expressão para o cálculo do peso específico O Quadro 1 a seguir apresenta os valores de peso específico para alguns tipos de rochas Quadro 1 Peso específico de algumas rochas Rocha γ kNm³ Granito 260 Diorito 279 Basalto 271 Gesso 225 Argilito 221 Mármore 270 Micaxisto 276 Fonte Adaptado de Vallejo et al 2002 Permeabilidade A permeabilidade é uma medida da facilidade de escoamento da água atra vés de um meio contínuo podendo ser avaliada por meio do coeficiente de Definição e propriedades mecânicas das rochas 4 permeabilidade k A permeabilidade das rochas em comparação com a dos solos é geralmente muito baixa em razão da agregação mais fraca dos grãos no solo Em contrapartida fatores como a presença de fissuras e alterações aumentam os valores de permeabilidade TIAB DONALDSON 2015 O estado de tensão na rocha é outro fator que influencia a permeabilidade pois o aumento das tensões compressivas tende a fechar as fissuras e a diminuir a permeabilidade Contudo a partir de um certo ponto o aumento das tensões pode levar ao aparecimento de novas fraturas provocando o aumento da permeabilidade O aumento da pressão da água também tende a abrir as fissuras aumentando a permeabilidade VALLEJO et al 2002 Descontinuidades naturais De modo geral as descontinuidades mais comumente encontradas nos maci ços rochosos são falhas juntas foliações metamórficas e contatos litológicos situações que geram alterações como formas geométricas irregulares zonas intemperizadas com graus diferentes propriedades físicas diferentes entre outras Assim as descontinuidades constituem o principal fator de controle de resistência mecânica e deformabilidade bem como de alteração por processos magmáticos intempéricos ou metamórficos FIORI 2013 Portanto a avaliação das propriedades geotécnicas dos maciços rochosos pressupõe o conhecimento das propriedades da rocha intacta bem como da ocorrência do tipo da extensão do grau de alteração e da posição espacial das descontinuidades Além disso fatores como mineralogia granulometria textura e material cimentante afetam a resistência e a deformabilidade As rochas ígneas por exemplo são mais resistentes que as sedimentares devido ao arranjo textural da rocha O intemperismo químico também afeta as propriedades geotécnicas das rochas em maior ou menor intensidade dependendo do tipo de rocha do clima e do tempo Por fim o movimento de água através das descontinuidades gera pressões hidrostáticas e neutras diminuindo a resistência mecânica do maciço Propriedades geomecânicas das rochas As obras de engenharia tais como taludes e fundações exercem tensões nas rochas as quais respondem às solicitações dos esforços em função de suas propriedades geomecânicas isto é resistência aos esforços Há pro cedimentos regulamentados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT que permitem avaliar a resistência das rochas quanto à compressão Definição e propriedades mecânicas das rochas 5 e ao cisalhamento Outra propriedade muito útil na caracterização geome cânica das rochas é a impedância acústica a qual fornece informações sobre a propagação das vibrações que podem afetar a estabilidade de taludes e cavas mineiras open pit Confira a seguir como as rochas respondem às solicitações mecânicas impostas pelas obras de engenharia Resistência à compressão simples uniaxial Em geral as rochas constituintes dos maciços rochosos se encontram subme tidas a estados de tensão triaxiais No entanto o estudo do comportamento das rochas quando submetidas à compressão simples é importante pois permite pôr em evidência fenômenos com interesse fundamental na mecânica dos maciços rochosos Um exemplo prático em que os maciços rochosos se encontram submetidos a um estado de compressão simples é o dos pilares de minas HOEK 2000 O ensaio de compressão simples Figura 2 é corrente na determinação das características mecânicas das rochas A resistência à compressão simples ou uniaxial é determinada em um corpo de prova cilíndrico submetido a uma tensão normal σ nas bases igual à razão da força normal N pela área da base A A preparação da amostra deve ter um cuidado especial quanto à retificação da superfície das bases que irão sofrer compressão para garantir uma forma cilíndrica perfeita Figura 2 Ensaio de resistência à compressão uniaxial Fonte Jacinto 2011 p 9 Definição e propriedades mecânicas das rochas 6 O comportamento da rocha é normalmente irreversível ou seja a de formação sofrida pela amostra nunca poderá ser recuperada na totalidade se houver uma descarga Isso se deve ao fato de que as fissuras iniciais presentes em qualquer rocha se fecham no início da compressão levando a uma diminuição da compressibilidade da amostra Resistência ao cisalhamento Diversos materiais sólidos empregados em construção normalmente resistem bem a tensões de compressão porém têm uma capacidade bastante limitada de suportar tensões de tração e de cisalhamento Como exemplo podese citar o concreto HOEK 2000 Para entender a resistência ao cisalhamento fazse necessário compreender que as descontinuidades presentes nas ro chas não são lisas As asperezas presentes influenciam o comportamento cisalhante e em geral aumentam a resistência ao cisalhamento aumentando a estabilidade do maciço A resistência da rocha na qual ocorrem as descontinuidades tem uma relação direta com as características de resistência das descontinuidades particularmente onde as paredes estão em contato direto com a própria rocha como no caso das juntas não preenchidas A natureza das asperezas sobretudo a rugosidade e a dureza são dependentes da composição mine ralógica e da natureza litológica da rocha As características da superfície da rocha afetarão a resistência ao cisalhamento das descontinuidades em grau acentuado se as paredes forem planares e lisas PITEAU 1970 A distância entre duas paredes de juntas correspondentes controla a extensão a que elas podem se conectar Na ausência de interconexão a resistência ao cisalhamento da junta será dada pelo material de preenchi mento À medida que a separação diminui as asperezas da parede de rocha tornamse gradualmente mais interligadas e ambos preenchimento e rocha contribuem para a resistência ao cisalhamento A resistência por atrito depende da força normal pois quando esta au menta aumenta também a área real de contato e consequentemente a resistência Em contrapartida a rugosidade e a adsorção da superfície da partícula controlam as áreas de contato de modo que os contatos podem ser de natureza plástica eou elástica FIORI 2013 A resistência de uma amostra de rocha pode ser determinada em labora tório ou por meio de ensaios in situ sendo os dois tipos principais de ensaios em laboratório o de cisalhamento direto Figura 3 e o de compressão triaxial Definição e propriedades mecânicas das rochas 7 Figura 3 Ensaio de cisalhamento direto Fonte Os equipamentos 2019 documento online Impedância acústica Em geral os pacotes de rochas sedimentares consistem em sucessivas ca madas com diferentes litologias e parâmetros elásticos em que em cada interface uma parte da energia incidente por uma fonte sísmica é refletida de volta em direção ao detector Essa fração é determinada pelo contraste de impedância acústica entre as duas camadas O detector recebe uma série de pulsos refletidos cuja modulação de amplitude é a função da distância percorrida e dos coeficientes de reflexão das várias interfaces Os pulsos chegam segundo tempos determinados pelas profundidades das interfaces e pelas velocidades de propagação entre elas A impedância acústica Z depende da velocidade compressional de propagação Vp e da densidade ρ da rocha sendo definida pela seguinte equação Z ρ Vp A variação de impedância que depende dos módulos de compressão e de rigidez e densidade k μ e ρ respectivamente rege o fenômeno de reflexão e transmissão da onda elástica na interface entre dois meios Essa é a propriedade que o método sísmico identifica a fim de indivi dualizar as diferentes camadas que constituem a subsuperfície sendo o Definição e propriedades mecânicas das rochas 8 meio elástico As constantes k μ e ρ são principalmente influenciadas pela composição mineralógica do subsolo pelos níveis de compactação e consolidação da camada pelo fluido que preenche os poros e pela estrutura da rocha Comparação das propriedades das rochas intactas e alteradas Um dos aspectos mais importantes relacionados com os estudos de terrenos para fins de engenharia é o da respectiva classificação nomeadamente no que se refere à definição dos parâmetros que melhor caracterizam cada material do ponto de vista da geologia de engenharia Embora a importância desses parâmetros varie de caso para caso consoante o tipo de estrutura a projetar há de basear a classificação para ser universal sempre nos mesmos parâmetros e procurar quantificar as designações respectivas a partir de observações e ensaios simples expeditos Uma primeira classificação dos materiais geológicos do ponto de vista da geologia de engenharia possibilita a caracterização e a diferenciação de solos e rochas Outra vantagem de uma classificação precisa consiste no fato de que permite a comparação de diferentes materiais tais como rochas intactas e rochas com diferentes graus de alteração Na geotecnia os solos são denominados maciços terrosos ao passo que as rochas são denominadas maciços rochosos No primeiro grupo cabem os terrenos que se desagregam facilmente quando agitados dentro de água No que se refere às rochas não há ainda nenhuma classificação universal embora existam propostas de vários autores com muitos pontos semelhantes Confira a seguir algumas dessas propostas Classificação pelo estado de alteração das rochas e pela estrutura geológica de maciços rochosos As características de qualidade de maciços rochosos são fundamentalmente consequência do seu estado de alteração e de fraturação A ocorrência de água percolando nos maciços atua com frequência na respectiva estabilidade É importante identificar os dois primeiros parâmetros considerados estado de alteração e grau de fraturação e fazer considerações sobre os critérios de classificação de maciços neles baseados Em solos por exemplo é de grande utilidade a indicação da facilidade com que se desmonta o material Definição e propriedades mecânicas das rochas 9 com determinados tipos de ferramentas Em rochas é costume referirse a uma maior ou menor facilidade com que se parte o material utilizando um martelo de mão ou a sua coloração e seu brilho como consequência da alteração de certos minerais com os feldspatos e minerais ferromagnesianos O número de graus a se considerar em relação ao estado de alteração de uma dada formação varia necessariamente com o tipo de problema e conse quentemente com a necessidade de pormenorizar a informação respectiva Uma classificação desse tipo é demonstrada no Quadro 2 Quadro 2 Classificação pelo estado de alteração das rochas e pela estrutura geológica de maciços rochosos Símbolo Designação Característica W1 Sã Sem sinais de alteração W2 Pouco alterada Sinais de alteração apenas nas imediações de descontinuidades W3 Medianamente alterada Alteração visível em todo o maciço rochoso porém a rocha não é friável W4 Muito alterada Alteração visível em todo o maciço e a rocha é parcialmente friável W5 Decomposta Maciço completamente friável com comportamento de solo Fonte Adaptado de Fiori 2013 Em relação aos estados de alteração e fraturação Deere 1967 desenvolveu um sistema de classificação baseado em um índice que ele designou por RQD Rock Quilite Designativo indicativo da qualidade de maciços rochosos definido a partir dos testemunhos de sondagens realizadas com recuperação contínua de amostra Esse índice que tem sido muito utilizado internacional mente é definido como a percentagem determinada pelo quociente entre o somatório dos pedaços de amostra com comprimento superior a 10 cm e o comprimento total furado em cada manobra Em função dos valores do RQD são apresentadas no Quadro 3 as designações propostas por Deere para classificar a qualidade dos maciços rochosos Em princípio a determinação do RQD deve ser feita apenas em sondagens com diâmetro superior a 55 mm cuidadosamente realizadas em que sejam utilizados amostradores de parede dupla ou tripla Definição e propriedades mecânicas das rochas 10 Quadro 3 Classificação da qualidade dos maciços rochosos RQD Qualidade do maciço rochoso 025 Muito fraco 2550 Fraco 5075 Razoável 7590 Bom 90100 Excelente Fonte Adaptado de Deere 1967 apud Fiori 2013 Classificações geomecânicas As classificações geomecânicas são utilizadas para caracterizar os maciços rochosos por meio de um conjunto de propriedades identificadas por ob servação direta e ensaios realizados in situ ou em amostras recolhidas em sondagens O interesse dessas classificações consiste também em sistema tizar o conjunto de elementos geotécnicos que interessa caracterizar em um determinado maciço rochoso Entre as várias classificações geomecânicas temse as de Bieniawski Sistema RMR e a de Barton Sistema Q Classificação de Bieniawski Sistema RMR Bieniawski publicou essa classificação em 1976 tendo por base uma vasta experiência colhida em obras subterrâneas A classificação de Bieniawski ou Sistema RMR do inglês rock mass rating é atualmente muito divulgada e tem sido sucessivamente refinada à medida que são incluídos os resultados de análises de um maior número de casos práticos A classificação geomecânica é baseada no princípio da atribuição de pesos aos seis parâmetros que Bienia wski considerou contribuírem mais significativamente para o comportamento dos maciços rochosos particularmente o caso das obras subterrâneas O somatório dos pesos atribuídos a cada um desses parâmetros constitui um índice designado por RMR ao qual corresponde uma das seis classes de qualidade de maciços consideradas pelo autor Os parâmetros utilizados são os seguintes Definição e propriedades mecânicas das rochas 11 1 resistência à compressão uniaxial da rocha intacta 2 RQD 3 espaçamento das descontinuidades 4 condição das descontinuidades 5 influência da água 6 orientação das descontinuidades A aplicação da classificação a um maciço rochoso implica a divisão deste em várias regiões estruturais zonas a serem classificadas separadamente As fronteiras dessas regiões coincidem geralmente com as estruturas ge ológicas principais tais com as falhas ou mudanças do tipo de rocha Em alguns casos dentro do mesmo tipo de rocha as mudanças significativas no espaçamento das descontinuidades ou das características destas podem obrigar à subdivisão do maciço rochoso em um maior número de regiões estruturais de menor dimensão Classificação de Barton Sistema Q Com fundamento na observação de muitas escavações subterrâneas Barton Liem e Lund do Norwegian Geotechnical Institute propuseram em 1974 uma classificação que assenta na definição de um índice de qualidade Q baseado na análise de seis fatores considerados relevantes para a caracterização do comportamento dos maciços rochosos conforme a seguinte equação Os três quocientes que compõem a expressão para o cálculo do índice Q correspondem a três aspectos relativos ao maciço rochoso 1 RQD Jr caracteriza a estrutura do maciço rochoso e constitui uma medida do bloco unitário deste O seu valor variável entre 200 e 05 dá uma ideia genérica da dimensão dos blocos 2 Jr Ja caracteriza as descontinuidades eou o seu enchimento sob o aspecto da rugosidade e do grau de alteração Esse quociente é crescente com o incremento da rugosidade e diminui com o grau de alteração das paredes em contato direto situações a que correspondem aumentos da resistência ao corte O quociente diminui tal como a resistência ao corte quando as descontinuidades têm preenchimentos argilosos ou quando se encontram abertas Definição e propriedades mecânicas das rochas 12 3 Jw SRF representa o estado de tensão no maciço rochoso O fator SRF caracteriza o estado de tensão no maciço rochoso em profundi dade ou as tensões de expansibilidade em formações incompetentes de comportamento plástico sendo a sua avaliação realizada quer a partir de evidências de libertação de tensões explosões de rocha etc quer a partir da ocorrência de zonas de escorregamento ou de alteração localizada Já o fator Jw representa a medida da pressão da água que tem um efeito adverso na resistência ao escorregamento das descontinuidades O sistema Q considera os parâmetros Jw Jr e Ja como tendo uma im portância relativa superior ao papel desempenhado pela orientação das descontinuidades Contudo o parâmetro de orientação não é totalmente ignorado pois está implícita a sua contribuição nos fatores Jr e Ja dado que na ponderação destes deverão ser consideradas as descontinuidades mais desfavoráveis Com base no sistema de classificação Q são propostas reco mendações quanto ao tipo de suporte necessário à estabilidade de maciços rochosos interessados na construção de túneis Referências FIORI A P Fundamentos de mecânica dos solos e das rochas aplicações na estabilidade de taludes 2 Ed São Paulo Oficina de Textos 2013 HOEK E Practical rock engineering Sl sn 2000 JACINTO G C Determinação da resistência a compressão simples do maciço rochoso granito imarui estudo de caso 2011 15 f Monografia Graduação em Engenharia Ci vil Universidade do Extremo Sul Catarinense Criciúma 2011 Disponível em http repositoriounescnetbitstream11751Giovan20Caciatori20Jacintopdf Acesso em 18 jan 2021 OLIVEIRA R Geologia de engenharia Lisboa Universidade Nova de Lisboa 2006 Disponível em httpspaginasfeupptgenggeapontamentosCap3GEpdf Acesso em 18 jan 2021 OS EQUIPAMENTOS para o ensaio de cisalhamento direto São José da Lapa Contenco 2019 Disponível em httpscontencocombrequipamentosparaensaiodecisalha mentodireto Acesso em 18 jan 2021 PITEAU D R Geological factors significant ot the stability of slopes cut in rock Proc Symp Planning Open Pit Mines Johannesburg 3353 A A Balkema Amsterdam 1970 ROCHA M Mecânica das rochas Lisboa LNEC 1981 TIAB D DONALDSON E C Petrophysics theory and practice of measuring reservoir rock and fluid transport properties 4 ed Sl Elsevier 2015 VALLEJO L G et al Engenharia geológica Madrid Prentice Hall 2002 Definição e propriedades mecânicas das rochas 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 Definição e propriedades mecânicas das rochas 14 Conteúdo