1

Min 111 MECÂNICA DAS ROCHAS

1. Classificação geomecânica de maciços rochosos

Profa. Christianne Nogueira

2

Maciço rochoso (segundo ISRM 1978) é um meio constituído por blocos de rocha (meio contínuo)

separados fisicamente por descontinuidades (juntas, falhas, fissuras, estratificação, etc) que podem conter

ou não material de preenchimento.

O comportamento hidro-mecânico de um maciço rochoso é condicionado pelas descontinuidades.

3

A caracterização geotécnica de um maciço rochoso

tem por objetivo criar um modelo conceitual (*)

(geométrico, estrutural e mecânico) que represente

o maciço com um grau de detalhamento capaz de

fornecer informações necessárias para a execução

de uma obra geotécnica

(*) tipo de rocha, espessura das camadas, descontinuidades, água subterrânea

Fonte: Mota, F.F. (2012)

Modelo conceitual

5

Etapas envolvidas na caracterização de maciços rochosos

Estudos preliminares

Estudos para projeto

Estudos durante à construção

O modelo de comportamento de um maciço rochoso será alimentado e alterado constantemente em função dos resultados

dos estudos realizados

6

Estudos preliminares

referem-se às análises de mapas geológicos, fotos

aéreas; imagens de satélite; visitas à campo, etc.

7

Estudos para projeto

inclui a execução de poços e valas de inspeção e

dependendo do porte da obra de engenharia a ser

realizada justifica-se a abertura de galerias.

Nesta etapa também são incluídas a realização de:

ensaios geofísicos, sondagens e levantamento estrutural.

8

RQD – (rock quality designation) é um índice que estima o grau de compartimentação do maciço.

Obs:não confundir com o índice de qualidade IQ obtido da velocidade de propagação de ondas longitudinais

100xL

cm10LRQD(%)

∑

∑ >=

RQD(%) Qualidade

0-25 Muito fraco

25-50 Fraco

50-75 Regular

75-90 Bom

90-100 ExcelenteDeere, 1968

vJ3.3115RQD(%) −=

Jv – número de juntas por metro cúbico

Palmstron, 1982 – quando o testemunho de sondagem não é disponível

9

Etapas envolvidas na caracterização de maciços rochosos

100x200

20173843RQD

+++=

Com

prim

ento

tota

l 200

cm

L=43cm

L=38cm

L=17cm

L=20cm

Nenhum pedaço maior que 10cm

59%RQD =

Rocha de qualidade regular

10

Sondagem rotativa – Barragem Ilha Solteira

RQD – ao longo da profundidade

11

a) Descrição das descontinuidades

�Orientação

�Espaçamento

�Persistência

�Rugosidade

�Resistência das paredes

�Abertura

�Preenchimento

�Condições de percolação

�Número de famílias

�Tamanho dos blocos

o levantamento destes dados é feita em campo pelos geólogos

12

Estudos durante à construção

o modelo de comportamento idealizado poderá ainda ser

modificado durante a construção da obra a depender dos

resultados obtidos do monitoramento desta através da

realização de ensaios e instrumentação de campo

13

Sistemas de classificação geomecânica de maciços rochosos

Os sistemas de classificação geomecânica

constitui-se numa ferramenta bastante útil na

caracterização do comportamento de um maciço

rochoso pois fornece uma visão geral do maciço

e estimativas iniciais sobre condições de

suporte de escavações e de propriedades de

resistência e deformabilidade

14

Os sistemas de classificação geomecânica buscam

agrupar os maciços rochosos em categorias de

comportamento similar com soluções típicas

para diversos problemas de engenharia

15

O primeiro sistema de classificação surgiu da necessidade de formalizar um enfoque empírico para projetos de túneis em particular buscando determinar requisitos de suporte.

Terzaghi ,1946 – face à execução de um grande número de túneis na região dos Alpes

16

Nome da classificação Autor - data Origem Aplicação

Rock Load Terzaghi, 1946 USA Suporte para túneis

RQD Deere et al, 1967 USA Túneis

RSR concept Wickhan et al, 1972 USA Túneis

RQD – Rock Quality Designation

RSR – Rock Structure Rating (Wickham, 1972)

RMR – Rock Mass Rating (Bieniawski,1972)

SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA

17

Nome da classificação Autor - data Origem Aplicação

RMR

Bieniawski, 1973 África do Sul várias

Moreno Tallon, 1982 Espanha Túneis

Nakao et al, 1983 Japão Túneis

Gonzalez, 1983 Espanha Túneis

Laubscher, 1977 África do Sul Mineração

Kendorski at al, 1983 USA Mineração

Ghose and Raju, 1981 India Mina de carvão

Unal, 1983 USA Mina de carvão

Newman, 1985 USA Mina de carvão

Venkateswarlu, 1986 India Mina de carvão

Serafim e Pereira, 1983 Portugal Fundação

Romana, 1985 Espanha Taludes

Robertson, 1988 Canada Taludes

RMR – Rock Mass Rating

18

Nome da classificação Autor - dataPaiz de

origemAplicação

Q-systemBarton, 1974 Noruega Túneis

Kirsten, 1983 África do Sul Túneis

Strengh size Frankli, 1975 Canada Túneis

Descrição Geotécnica Básica ISRM, 1981 Geral

Classificação Unificada Williamson, 1984 USA Geral

19

Sistema RSR – Rock Structure Rating (Wickham, 1972)

RSR = A+B+CA – geologia

B – geometriaC – a ação da água

Foi a primeira avaliação numérica de maciços rochosos

� Tipo de rocha� Padrão das descontinuidades (espaçamento)� Orientação das descontinuidades (traço e mergulho)� Tipo de descontinuidades� Alteração das descontinuidades

O RSR reflete a qualidade ou competência da rocha com relação a sua necessidade de suporte independentemente do tamanho do túnel.

20

Tipo de rochaEstruturas geológicas

Dura Média Branda Decomposta

Ígnea 1 2 3 4Maciço

ContínuoPouco

FraturadoModeradamente

FraturadoAltamente Fraturado

Metamórfica 1 2 3 4

Sedimentar 2 3 4 4

Tipo 1 30 22 15 9

Tipo 2 27 20 13 8

Tipo 3 24 18 12 7

Tipo 4 19 15 10 6

Parâmetro A

O máximo A é 30

21

Espaçamento médio das descontinuidades

Direção da escavação normal ao traço das descontinuidades

Direção da escavação paralela ao traço das descontinuidades

Mergulho das descontinuidades

Mergulho das descontinuidadesAmbos

A favor do mergulho

Contra o mergulho

Sub-H(0-20º)

Merg(20-50º)

Vert(50-90º)

Merg(20-50º)

Vert(50-90º)

Sub-H(0-20º)

Merg(20-50º)

Vert(50-90º)

Muito Fraturada(<5.1)cm

9 11 13 10 12 9 9 7

Fraturada(5.1–15.24)cm

13 16 19 15 17 14 14 11

Moderadamente Fraturada(15.24-40.6)cm

23 24 28 19 22 23 23 19

Moderada a contendo blocos desagregados(30.5-61)cm

30 32 36 25 28 30 28 24

Contendo blocos desagregados à contínua(61-122)cm

36 38 40 33 35 36 24 28

Contínua(>122cm)

40 43 45 37 40 40 38 34

Parâmetro B

22

Direção do eixo do túnel versus traço das feições geológicas

Eixo do túnel paralelo a direção das camadas

Perfil geológico (seção vertical)

23

Perfil geológico (seção vertical)

Eixo do túnel interceptando a direção

das camadas

Direção do eixo do túnel versus traço das feições geológicas

24

Direção do eixo do túnel versus mergulho das descontinuidades

A favor contra

25

Parâmetro C

Boa = estanque ou cimentadaModerada = levemente alterada a alteradaRuim = severamente intemperizada, alterada ou aberta

1gpm (galões por minuto) = 4,5 lpm (litros por minuto)

Previsão de fluxo água (gpm/305m de túnel)

Soma dos parâmetros A e B

13-44 45-75

Condição da descontinuidade

Boa Moderada Ruim Boa Moderada Ruim

Zero 22 18 12 25 22 18

Pouco(<200gpm)

19 15 9 23 19 14

Moderado(200-1000gpm)

15 22 7 21 16 12

Alto(>1000gpm)

10 8 6 18 14 10

26

RSR

Espaçamento de cambotas (stell ribs) (ft)Espaçamento de ancoragens (rockbolts) (ft)Espessura do concreto projetado (shotcreet) (in)

concreto projetado

Ancoragens de 25mm de diâmetro

cambotas

Limite prático para o espaçamento das cambotas e ancoragens

Para um túnel de

7.4m (diâmetro)

8WF31 – 8in deep wide flange I section pesando 31lb/ft

27

Tipos de suporte para túneis

Ancoragens e concreto projetado

28

Tipos de suporte para túneis

- Cambotas -

29

30

Sistema RMR – Rock Mass Rating (Bieniawski, 1972)

� Resistência à compressão uniaxial (qu)

� RQD

� Espaçamento das descontinuidades

� Padrão das escontinuiddaes

� Àgua

� Orientação relativa – descontinuidade-escavação

ajustewRMR1i

i +∑==

5

31

Is(MPa) qu(MPa) Pesos

10 >250 154-10 100-250 122-4 50-100 71-2 25-50 4NR 10-25 2NR 3-10 1NR <3 0

RQD(%) Pesos

90-100 20

75-90 17

50-75 13

5-50 8

<25 3

rocha intacta

Espaçamento (m) Pesos

>2 20

0.6-2 15

0.2-0.6 10

0.06-0.2 8

<0.06 5

descontinuidade

32

Condições das descontinuidades

Descrição Pesos

Superfícies muito rugosas, não persistente, fechadas, paredes sem alteração 30

Superfícies pouco rugosas, abertura <1mm, paredes levemente alterada 25

Superfícies pouco rugosas, abertura <1mm, paredes muito alterada 20

Superfícies estriada, peristente, preenchimento <5mm ou abertura de 1-5mm 10

Preenchimento >5mm ou abertura>5mm, persistente 0

33

Persistência <1m 1-3m 3-10m 10-20m >20m

Peso 6 4 2 1 0

Abertura nenhuma <0.1mm 0.1-1mm 1-5mm >5mm

Peso 6 5 4 1 0

Rugosidade Muito rug. Rugosa Pouco rug. Suave Estriada

Peso 6 5 3 1 0

Preenchimento Nenhum Duro<5mm Duro>5mm Mole<5mm Mole>5mm

Peso 6 4 2 2 0

Alteração Não alter. Pouco Moderada Altamente decomposta

Peso 6 5 3 1 0

recomendações para classificação da condição das decontinuidades

34

Condições da água

1σuVazão por 10m

de túnel(litro por min)

Condições gerais Peso

0 0 Seca 15

<10 <0.1 Umedecida 10

10-25 0.1-0.2 Úmida 7

25-125 0.2-0.5 Gotejando 4

>125 >0.5 Fluxo abundante 0

(pressão neutra pela tensão

principal maior)

35

Ajuste devido à orientação das descontinuidades

Direção geológica e mergulho

Muito favorável

Favorável Moderado DesfavorávelMuito

desfavorável

Túneis 0 -2 -5 -10 -12

Fundações 0 -2 -7 -15 -25

Talude 0 -5 -25 -50 -60

Laubscher, D. H. (1977) Geomechanics classification of jointed rock mass –mining application. Trans. Instn Min. Metall., v86, A1-8

Romana, M. (1985) New adjustment ratings for application of Bieniewskiclassification to slopes. In: Inter. Symposium on the hole of rock mechanics, Zatecas, p.49-53

36

Ajuste devido à orientação das descontinuidades

Direção geológica perpendicular ao eixo do túnel

No sentido do mergulho Contra o sentido do mergulho

mergulho 45-90º mergulho 20-45º mergulho 45-90º mergulho 20-45º

Muito favorável favorável moderado desfavorável

Direção geológica paralela ao eixo do túnel

mergulho 45-90º mergulho 20-45º

Muito desfavorável moderado

Direção geológica qualquer - mergulho 0-20 - moderado

37

Ajuste para aplicação em lavra

434215.0max

sd S*A*ARMR*RMR =

Descriação Fator

Dano devivo ao desmonte - Ad 0.8 - 1.0

Tensões in situ e variações de tensões - As 0.6 - 1.2

Falhas - S 0.7 – 1.0

38

Classificação

Descrição RMR Classe Tempo médio de auto-sustentação

Coesão(kPa)

Ângulo de atrito (º)

Muito Bom 100-81 I 20 anos (vl=15m) >400 >45

Bom 80-61 II 1 ano (vl=10m) 300-400 35-45

Regular 60-41 III 1 semana (vl=5m) 200-300 25-35

Ruim 40-21 IV 10horas (vl=2.5m) 100-200 15-25

Muito ruim <21 V 30min (vl=1m) <100 <15

vl = vão livre

39

Vão

livr

e (m

)

Tempo de auto-sustentação (horas)

Tempo de auto-sustentação 1 dia 1 sem 1 mês 1 ano 10 anos

Colapso imediato

Não requer suporte

40

stand up time (Laufer, 1958)

Stand up time – é definido como o período de tempo

que um túnel se sustentará sem suportes após a

escavação.

As=B

As=S

suportesS

B

Vão ativo (As) – maior vão Se S < B então As=BSe S>B então As=S

B - largura do túnel S - distância da frente da escavação para o último

suporte

Através deste método pode-se definir a forma de avanço da frente de escavaçãoEste sistema deu origem ao NATM

41

Classe Descrição

I Escavação Seção plena – 3m de avanço

Ancoragem(20mm com injeção)

Getalmente não é necessário suporte exceto anroragens isoladasConcreto projetado

Cambotas metálicas

II Escavação Seção plena, 1-1.5m de avanço, Suporte até 20m da face

Ancoragem(20mm com injeção)

Localizada, ancoragens na abóbada, 3m de comprimento, espaçadas de 2.5m com eventuais malhas de proteção no teto

Concreto projetado 50mm na abóbada onde requerido

Cambotas metálicas Não utilizar

III Escavação Calota e bancada, 1.5 – 3m de avanço da calota, Instalação de suporte após cada fogo, Suporte até 10m da fa

Ancoragem(20mm com injeção)

Sistemática, ancoragens de 4m de comprimento espaçadas de 1.5-2.0m na abóbada e paredes com malha de proteção no teto

Concreto projetado 50-100mm na ábobada e 30mm nas paredes

Cambotas metálicas Não utilizar

Recomendações para execução de túnel ferradura com 10m de largura e tensão vertical menor que 25MP utilizando

perfuração ou explosivos

42

Classe Descrição

IV Escavação Calota e bancada, 1.0 – 1.5m de avanço da calota, Instalação de suporte junto com a escavação, Suporte até 10m da face

Ancoragem(20mm com injeção)

Sistemática, ancoragens de 4 a 5 m de comprimento espaçadas de 1.0-1.5m na abóbada e paredes com malha de proteção no

teto

Concreto projetado 100-150mm na ábobada e 100mm nas paredes

Cambotas metálicas Elementos leves ou médios espaçados de 1.5m onde requerido

V Escavação Seções múltiplas, 0.5 – 1.5m de avanço da calota, Instalação de suporte junto com a escavação, Concreto projetado o mais breve

possível após o fogo

Ancoragem(20mm com injeção)

Sistemática, ancoragens de 5 a 6 m de comprimento espaçadas de 1.0-1.5m na abóbada e paredes com malha de proteção no

teto. Ancoragem invertida

Concreto projetado 150-200mm na ábobada e 150mm nas paredes e 50mm na face

Cambotas metálicas Elementos médios a pesados, espaçados de 0.75m com forramento de metal e cravação de pranchas se requerido.

fechameno de arco invertido

Recomendações para execução de túnel ferradura com 10m de largura e tensão vertical menor que 25MP utilizando

perfuração ou desmonte com dinamite

43

Carga de suporte (P) pode ser avaliada de acordo com Unal (1983) em função do RMR, do

peso específico da rocha (γ) e da largura do túnel (B) como:

B(m))mkgγ(100

RMR100P(kN) 3−

=

44

Sistema Q (Barton, 1974) (do NGI -Norvegian Geotechnical Institute)

� RQD

� Jn – índice relativo ao número de famílias de descontinuidades

� Jr – índice relativo à influência rugosidade das descontinuidades

� Ja – índice relativo à alteração das paredes das descontinuidades

� Jw – índice relativo à ação de água subterrânea

� SRF – índice realtivo ao estado de tensões do maciço

=

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Q varia de 0.001 a 1000

45

Padrão geomecânico do maciço RQD observação

Muito ruim 0-25 Um valor nominal de 10, para efeito de cáculo do Q, é adotado para

valores de RQD menores que 10.

Ruim 25-50

Regular 50-75

Bom 75-90

Excelente 90-100

46

Famílias de descontinuidades Jn Observação

Esparsas ou asente 0.5-1.0

1 família 2

1 família + descont. aleatórias 3

2 famílias 4

2 famílias + descont. aleatórias 6

3 famílias 9 Para intersecções usar (3Jn)

3 famílias + descont. aleatórias 12

4 ou mais famílias, muito fraturado 15 Para emborcações usar (2Jn)

Completamente fraturada (triturada) 20

47

Rugosidade das paredes Jr Observação

Descontinuidade não persistente 4

Rugosas e onduladas 3

Onduladas lisa 2 Acrescentar 1 ao valor caso o espaçamento médio seja maior

que 3m

Onduladas polidas 1.5

Rugosa plana 1.5

Lisa plana 1.0

Polidas ou estriadas planas 0.5

Preenchidas com material argiloso 1.0

Preenchida com material arenoso 1.0

48

Alteração das paredes (paredes com contato rocha-rocha)

Ja φφφφr(οοοο)

Paredes duras, compactas, com preenchimento de materiais impermeáveis

0.75

Paredes sem alteração, pigmentação superficial incipiente 1.0 25-35

Paredes levemente alteradas, películas de materiais arenosos ou abrasivos

2.0 25-30

Paredes com películas de material silro-arenoso com pequena fração argilosa

3.0 20-25

Paredes com películas de material mole (eventualmente expansivos)

4.0 8-16

Ângulo de atrito residual - φr

49

Alteração das paredes (paredes com contato com até 10cm de cisalhamento)

Ja φφφφr(οοοο)

Paredes com partículas arenosas, fragmentos de rocha, etc 4.0 25-30

Paredes com preenchimento cotínuos e pouco espessos (<5mm) de material argiloso fortemente sobreadensado

6.0 16-24

Paredes com preenchimento cotínuos e pouco espessos (<5mm) de material argiloso pouco ou medianamente sobreadensado

6.0 12-16

Paredes com preenchimento de materiais expansivos. 8.0 6-12

50

Alteração das paredes (paredes sem contato rocha-rocha nem cisalhada)

Ja φφφφr(οοοο)

Zonas de preenchimento com fragmentos de rocha e material argiloso fortemente sobreadensado

6.0

6-24Zonas de preenchimento com fragmentos de rocha e material argiloso pouco ou medianamente sobreadensado

8.0

Zonas de preenchimento com fragmentos de rocha e material argiloso expansivo

8.0-12.0

Zonas de preenchimento com material arenoso ou silto-argiloso, sendo pequena a fração argilosa

5.0

Zonas contínuas de preenchimento com material argiloso fortemente sobreadensado

10.0

6-24Zonas contínuas de preenchimento com material argiloso pouco ou medianamente sobreadensado

13.0

Zonas contínuas de preenchimento com material argiloso expansivo

13.0-20.0

51

Ação da água Jw u (kgf////cm2)

Escavação seca ou pequena efluência de água (5l/min)

1.0 <1

Afluência média da água com eventual carreamento do preenchimento

0.66 1.0-2.5

Afluência elevada de água em rochas competentes com descont. não preenchidas

0.5 2.5-10.0

Afluência elevada de água com carreamento significativo do preenchimento

0.33 2.5-10.0

Afluência excepcionalmente elevada de água com decaimento com o tempo

0.2-0.1 >10

Afluência excepcionalmente elevada de água sem decaimento com o tempo

0.1-0.05 >10

u = pressão neutra aprox.

52

Estado de tensão no maciço(zonas de baixa resistência interceptando a escavção, podendo causar

enfraquecimento do maciço devido à escavção)SRF

Ocorrência de múltiplas zonas de fraqueza contedo material argiloso ou rocha quimicamente decomposta (qq profundidade)

10

Ocorrência de uma zona de fraqueza contedo material argiloso ou rocha quimicamente decomposta (profundidade menor que 50m)

5

Ocorrência de uma zona de fraqueza contedo material argiloso ou rocha quimicamente decomposta (profundidade maior que 50m)

2.5

Ocorrência de múltiplas zonas cizalhadas em material competente (isentas de material argiloso) e com blocos desagregados de rocha (qq profundidade)

7.5

Ocorrência de uma zona cizalhada em material competente (isentas de material argiloso) (profundidade <50m)

5.0

Ocorrência de uma zona cizalhada em material competente (isentas de material argiloso) (profundidade >50m)

2.5

Ocorrência de juntas abertas e intenso fraturamento do maciço (qq profundidade)

5.0

53

1c σσ 1σσt

Estado de tensão no maciço(rochas competentes)

SRF

Tensões baixas, superficiais >200 >13 2.5

Tensões moderadas 200-10 13-0.66 1.0

Tensões elevadas 10-5 0.66-0.33 0.5-2

Condições moderadas para explosão

5-2.5 0.33-0.16 5-10

Condições intensas para explosão <2.5 <0.16 10-20

54

Estado de tensão no maciço(rochas com deformação lenta, escoamento plástico de rochas

incompetentes sob a influência de altas pressões)SRF

Pressões de escoamento moderadas 5-10

Pressões de escoamento elevadas 10-20

Estado de tensão no maciço(rochas expansivas)

SRF

Pressões de expansão moderadas 5-10

Pressões de expansão elevadas 10-15

55

� Comprimento máximo do vão

0.4max QESR2L =

� Comprimento de ancoragem

ESR

B0.152L +=

B – largura da escavação� tensão permanente no teto

( )r

31n

J3

QJ2P =

ESR – Índice de suporte da escavação

56

ESR – Índice de suporte da escavação

Está relacionado coma intensidade da escavação e o grau de segurança demandado do sistema de suporte para manter a

estabilidade da escavação

Natureza da escavação ESR

A: Galerias provisórias de minas 3-5

B: Galerias permanentes de minas, túneis e galerias de adução (exceto condutos forçados sob altas pressões), túneis-piloto, câmaras e galerias para escavções de grande porte

1.6

C: Escavação para estocagem, estações de tratamento d’água, túneis rodoviários e ferroviários (obras correntes), túneis de acesso

1.3

D: Escavações para casas de força, túneis rodoviários e ferroviários (obras especiais), obras de defesa, emboques e intersecções de túneis

1.0

E: Escavações para centrais nucleares, túneis metroviários, instalações para desenvolvimento de atividade humana

0.8

57

Excepcionalmente pobre

Extremamente pobre

Muito pobrePobre

Moderado

BomMuito Bom

Extremamente bom

Excepcionalmente bom

Descrição do maciço

58

Estimativa das categorias de suporte baseado no índice Q (Grimstad e Barton 1993)