Apostila Mecânica Rochas Classificações Geomecânicas

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GEOLOGIA DE ENGENHARIA CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS 5.1 5. CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS 5.1 INTRODUÇÃO Um dos aspectos mais importantes ligados aos estudos de terrenos para fins de engenharia civil é o da respectiva classificação, nomeadamente no que se refere à definição dos parâmetros que melhor caracterizam uma formação do ponto de vista de Geologia de Engenharia. Embora a importância desses parâmetros varie de caso para caso, consoante o tipo de estrutura a projectar, há que 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, bem como da engenharia civil, é em solos e em rochas. Às formações constituídas por solos é atribuída a designação genérica de maciços terrosos, enquanto as que são essencialmente constituídas por material rocha se designam por maciços rochosos. No primeiro grupo cabem os terrenos que se desagregam facilmente quando agitados dentro de água. Dada a indefinição das condições de agitação da água, facilmente se depreende que poderá haver uma apreciável zona de "sombra" onde caiem os chamados "terrenos de transição". A forma de se vir a obviar essa indefinição é o da utilização de ensaios simples que permitam a quantificação dos parâmetros que caracterizam a agitação da água e a desagregação do terreno que dela resulta. Relativamente aos solos existem já critérios de classificação universalmente aceites que serão devidamente estudados na disciplina de Mecânica dos Solos. Quanto às rochas (sobretudo aos maciços rochosos, já que é o comportamento destes e não do material rocha que interessa na generalidade dos problemas do âmbito da Geologia de Engenharia) não há ainda nenhuma classificação universal, embora existam propostas de vários autores com muitos pontos semelhantes. Essa circunstância levou a que fossem criados respectivamente em 1972 e em 1975 dois grupos de trabalho, o primeiro no âmbito da Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM) e o segundo da Associação Internacional de Geologia de Engenharia (IAEG), com a preocupação de estabelecerem sistemas de classificação que pudessem vir a ser aceites internacionalmente. Esta diferença entre o grau de desenvolvimento e aceitação das classificações de solos e de rochas deve-se, por um lado, a que a classificação de solos é, em si, mais simples e, por outro lado, à diferença de idades entre a Mecânica dos Solos e a Mecânica das Rochas.

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  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.1

    5. CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS

    5.1 INTRODUO

    Um dos aspectos mais importantes ligados aos estudos de terrenos para fins de engenharia civil o

    da respectiva classificao, nomeadamente no que se refere definio dos parmetros que melhor

    caracterizam uma formao do ponto de vista de Geologia de Engenharia.

    Embora a importncia desses parmetros varie de caso para caso, consoante o tipo de estrutura a

    projectar, h que basear a classificao, para ser universal, sempre nos mesmos parmetros e

    procurar quantificar as designaes respectivas a partir de observaes e ensaios simples expeditos.

    Uma primeira classificao dos materiais geolgicos do ponto de vista da Geologia de Engenharia,

    bem como da engenharia civil, em solos e em rochas. s formaes constitudas por solos

    atribuda a designao genrica de macios terrosos, enquanto as que so essencialmente

    constitudas por material rocha se designam por macios rochosos.

    No primeiro grupo cabem os terrenos que se desagregam facilmente quando agitados dentro de gua.

    Dada a indefinio das condies de agitao da gua, facilmente se depreende que poder haver

    uma aprecivel zona de "sombra" onde caiem os chamados "terrenos de transio". A forma de se vir

    a obviar essa indefinio o da utilizao de ensaios simples que permitam a quantificao dos

    parmetros que caracterizam a agitao da gua e a desagregao do terreno que dela resulta.

    Relativamente aos solos existem j critrios de classificao universalmente aceites que sero

    devidamente estudados na disciplina de Mecnica dos Solos.

    Quanto s rochas (sobretudo aos macios rochosos, j que o comportamento destes e no do

    material rocha que interessa na generalidade dos problemas do mbito da Geologia de Engenharia)

    no h ainda nenhuma classificao universal, embora existam propostas de vrios autores com

    muitos pontos semelhantes. Essa circunstncia levou a que fossem criados respectivamente em 1972

    e em 1975 dois grupos de trabalho, o primeiro no mbito da Sociedade Internacional de Mecnica das

    Rochas (ISRM) e o segundo da Associao Internacional de Geologia de Engenharia (IAEG), com a

    preocupao de estabelecerem sistemas de classificao que pudessem vir a ser aceites

    internacionalmente.

    Esta diferena entre o grau de desenvolvimento e aceitao das classificaes de solos e de rochas

    deve-se, por um lado, a que a classificao de solos , em si, mais simples e, por outro lado,

    diferena de idades entre a Mecnica dos Solos e a Mecnica das Rochas.

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.2

    Do ponto de vista da Geologia de Engenharia, a classificao dos terrenos dever basear-se quer em

    critrios geolgicos, quer em parmetros que visem as aplicaes prticas do domnio da engenharia

    civil.

    5.2 CLASSIFICAES GEOLGICAS

    Quando se pretende fazer o estudo de uma dada formao interessada num problema de engenharia

    civil corrente inici-lo por uma classificao geolgica. Reconhece-se que esta classificao no

    absoluta para fins de engenharia, mas atribui-se-lhe utilidade.

    Embora certos autores (cada vez mais raros) menosprezem o seu papel, chegando ao ponto de

    propor o seu abandono, o certo que continua a utilizar-se sistematicamente em trabalhos de

    Geologia de Engenharia a classificao geolgica dos terrenos, em virtude da sua informao

    implcita. Como exemplo do que se afirma poder-se- referir o caso de macios calcrios, ou

    constitudos por outras rochas solveis, em que a simples designao alerta para a possibilidade de

    ocorrncia de situaes, tais como fenmenos de dissoluo ou outros problemas idnticos, que

    podero ser de muita importncia em determinadas obras de construo civil. Conforme conhecido,

    aqueles fenmenos podero estar na origem da formao de vazios nos macios, por vezes de

    grandes dimenses (cavernas), que esto na origem de fenmenos de subsidncia e de colapsos da

    superfcie dos terrenos (Figura 5.1), ou ditar comportamentos hidrulicos tpicos (Figura 5.2)

    associados permeabilidade em grande que se processa atravs da rede de descontinuidades.

    Figura 5.1 - Corte esquemtico representativo dos fenmenos de subsidncia e de colapso associados a macios de calcrio.

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.3

    Figura 5.2 - Hidrogeologia dum macio sedimentar:

    A - zona de recarga; B zona de cavidades saturadas; C zona de transferncia.

    evidente que insuficiente dizer-se que um dado macio grantico, xistoso ou basltico quando se

    pretende informar um projectista de uma barragem ou de uma ponte das caractersticas do respectivo

    macio de fundao. O estado de alterao do material, o seu estado de fracturao, a presena ou

    ausncia de material de enchimento das diaclases e sua qualidade so factores que fazem variar

    extraordinariamente as caractersticas do macio.

    Para obviar a esta dificuldade, os gelogos ao fazerem a classificao dos terrenos, alm da

    designao litolgica das formaes, apresentam em regra a descrio da qualidade do material

    constituinte em termos do seu estado de alterao e de fracturao, ou de outras condies locais,

    como por exemplo as hidrogeolgicas. Tais descries, embora muito informativas, tm o

    inconveniente de serem at certo ponto subjectivas, por se basearem normalmente na opinio do

    autor da classificao. Outro autor utilizaria eventualmente outra designao para as mesmas

    caractersticas do mesmo material. O granito muito alterado de um pode ser o granito medianamente

    alterado de outro; o grs brando de um pode ser o grs duro de outro; a areia fina de um pode ser a

    areia mdia de outro.

    Daqui a necessidade de acompanhar, tanto quanto possvel, a classificao de um dado material de

    grandezas quantitativas que mantenham o seu valor independentemente da pessoa que classifica ou,

    pelo menos, da definio da terminologia utilizada.

    5.2.1 Classificao tendo em considerao o estado de alterao das rochas e a estrutura

    geolgica de macios rochosos

    As caractersticas de qualidade de macios rochosos so fundamentalmente consequncia do seu

    estado de alterao e de fracturao. A ocorrncia de gua percolando nos macios actua tambm,

    com frequncia, na respectiva estabilidade. Importa desde j referir os dois primeiros parmetros

    considerados - estado de alterao e grau de fracturao - e fazer consideraes sobre os critrios de

    classificao de macios neles baseados.

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.4

    O estado de alterao vulgarmente indicado custa da sua descrio baseada em mtodos

    expeditos de observao. Em solos, por exemplo, de grande utilidade a indicao da facilidade com

    que se desmonta o material com determinados tipos de ferramentas. Em rochas costume referir-se

    a maior ou menor facilidade com que se parte o material, utilizando um martelo de mo, ou a sua

    colorao e brilho como consequncia da alterao de certos minerais como feldspatos e minerais

    ferromagnesianos.

    O nmero de graus a considerar em relao ao estado de alterao de uma dada formao varia

    necessariamente com o tipo de problema e, consequentemente, com a necessidade de pormenorizar

    a informao respectiva. Na maioria dos casos parece adequado considerarem-se cinco graus de

    alterao dos macios rochosos conforme se esquematiza na Tabela 5.1.

    Tabela 5.1 - Graus de alterao de macios rochosos.

    Smbolos Designaes Caractersticas

    W1 so sem quaisquer sinais de alterao

    W2 pouco alterado sinais de alterao apenas nas imediaes das descontinuidades

    W3 medianamente

    alterado alterao visvel em todo o macio rochoso mas a rocha no

    frivel

    W4 muito alterado alterao visvel em todo o macio e a rocha parcialmente frivel

    W5 decomposto

    (saibro) o macio apresenta-se completamente frivel com

    comportamento de solo

    Sempre que se realizam sondagens com recuperao contnua de amostra, um indicador muito

    utilizado para informar quanto ao estado de alterao das rochas atravessadas, mas tambm

    influenciado pelo estado de fracturao destas, o da percentagem de recuperao resultante das

    operaes de furao. A percentagem de recuperao obtm-se multiplicando por 100 o quociente

    entre a soma dos comprimentos de todos os tarolos obtidos numa manobra e o comprimento do

    trecho furado nessa manobra.

    Embora se desconhea qualquer tabela de classificao de rochas em face de percentagem de

    recuperao, e apesar de se ter em conta que este valor pode ser altamente influenciado pela

    qualidade do equipamento de furao, pela competncia do operador e por particularidades litolgicas

    ou estruturais das formaes geolgicas, vulgar considerar que um macio rochoso pouco

    alterado (logo, em princpio, de boa qualidade) quando se obtm percentagens superiores a 80%,

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    muito alterado (logo de m qualidade) para percentagens inferiores a 50% e medianamente alterado

    para valores intermdios.

    Quanto ao estado de fracturao de um macio h vrios critrios razoavelmente semelhantes entre

    si que caracterizam em regra, o espaamento entre diaclases. No geral contm igualmente 5 classes

    correspondendo cada uma s designaes de muito prximas, prximas, medianamente afastadas,

    afastadas e muito afastadas. Apresenta-se na Tabela 5.2 a classificao elaborada pela respectiva

    comisso da ISRM.

    Tabela 5.2 - Graus de fracturao de macios rochosos.

    Smbolos Intervalo entre fracturas (cm) Designao

    F1 > 200 muito afastadas

    F2 60 - 200 afastadas

    F3 20 - 60 medianamente afastadas

    F4 6 - 20 prximas

    F5 < 6 muito prximas

    A avaliao do grau de fracturao de um macio pode ser igualmente feita atravs da contagem do

    nmero de diaclases por metro. evidente que embora exista uma relao entre este ndice e os

    valores anteriores, a extrapolao dos resultados s ser aceitvel se o afastamento entre

    descontinuidades for idntico.

    Relacionado com os estados de alterao e fracturao, Deere (1967) desenvolveu um sistema de

    classificao baseado num ndice que designou por RQD (Rock Quality Designation), indicativo da

    qualidade de macios rochosos, definido a partir dos testemunhos de sondagens realizadas com

    recuperao contnua de amostra.

    Este ndice, que tem vindo a ser muito utilizado internacionalmente, definido como a percentagem

    determinada pelo quociente entre o somatrio dos troos de amostra com comprimento superior a 10

    cm e o comprimento total furado em cada manobra. Em funo dos valores do RQD, so

    apresentadas na Tabela 5.3 as designaes propostas por Deere para classificar a qualidade dos

    macios rochosos.

    Em princpio, a determinao do RQD deve ser feita apenas em sondagens com dimetro superior a

    55 mm, cuidadosamente realizadas em que sejam utilizados amostradores de parede dupla ou tripla.

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    Tabela 5.3 - Classificao dos macios com base no RQD.

    RQD Qualidade do Macio Rochoso

    0 - 25% muito fraco

    25 - 50% fraco

    50 - 75% razovel

    75 - 90% bom

    90 - 100% excelente

    Exemplo 1

    ( ) ( ) 10010% >= L

    cmlRQD i

    L - Comprimento total furado numa manobra = ilL

    L = 200 cm (ex.)

    RQD = (38+17+20+35)/200100 = 55%

    Quando no haja amostragem obtida por sondagens mas sejam identificveis os traos das

    descontinuidades em afloramentos rochosos ou em escavaes, poder-se- estimar o valor do RQD

    recorrendo relao proposta por Palmstrm (1982):

    RQD = 115 3,3 Jv

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    onde Jv representa o ndice volumtrico (somatrio do nmero de descontinuidades por unidade de

    comprimento, para o conjunto das famlias).

    De notar que o RQD um parmetro dependente da direco de amostragem podendo o seu valor

    variar significativamente em funo da orientao das sondagens. O uso do ndice volumtrico, para

    estimar o valor do RQD, pode apresentar-se como benfico por reduzir tal dependncia.

    Exemplo 2

    Jv = 1/S1 + 1/S2 + 1/S3 + juntas dispersas n/5

    Exemplo:

    S1 = 0,1 m

    S2 = 0,5 m

    S3 = 2,0 m

    Jv = 10 + 2 + 0,5 = 12,5

    O parmetro RQD deve representar a qualidade do macio rochoso in situ. Quando se realizam

    sondagens em macios com forte anisotropia, nos quais se incluem muitas das formaes xistentas

    que ocorrem em Portugal, frequente o desenvolvimento de novas fracturas no material das

    amostras, segundo os planos de fraqueza, resultantes da descompresso que se regista em

    consequncia da sua retirada do macio. Quando da observao de amostras obtidas por furao,

    dever ter-se cuidado de distinguir as fracturas naturais das decorrentes do processo de furao ou

    daquelas que foram causadas quer pelo manuseamento do equipamento, devendo estas ltimas ser

    ignoradas na determinao do RQD.

    Do mesmo modo, quando se recorra observao de superfcies escavadas tendo em vista a

    utilizao da relao devida a Palmstrm, as fracturas provocadas pelo uso de explosivos devem ser

    ignoradas.

    A classificao dos macios rochosos baseada nos valores do RQD, embora til, bastante limitada.

    De facto, alm das fracturas, outras descontinuidades que caracterizam a estrutura geolgica das

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.8

    formaes, podem, de forma idntica, imprimir um dado comportamento a um macio. Esto neste

    caso, por exemplo, as superfcies de estratificao e de xistosidade.

    5.2.2 Descrio Geotcnica Bsica (Basic Geotechnical Description - BGD)

    Este sistema classificativo constitui um passo interessante no sentido estruturar a informao

    essencial tendo em vista as aplicaes aos domnios da engenharia civil. Proposta pela ISRM, a

    descrio bsica foi elaborada com as seguintes intenes:

    - ser um cdigo de linguagem que permita a descrio de macios rochosos, com referncia,

    em particular, ao seu comportamento mecnico, de forma no ambgua, isto , que diferentes

    observadores de um dado macio rochoso o classifiquem da mesma forma;

    - conter informao tanto quanto possvel quantitativa que possibilite a resoluo de problemas

    prticos;

    - ser baseada, de preferncia, em medies muito simples em vez de o ser apenas na

    observao directa dos macios rochosos ou de tarolos de sondagem neles realizados.

    Para ter em ateno estes aspectos, este sistema classificativo considera deverem ser includos os

    seguintes parmetros na descrio bsica, alguns dos quais j anteriormente foram referidos:

    - a caracterizao geolgica;

    - duas caractersticas estruturais dos macios rochosos: espessura de camadas e

    espaamento entre fracturas;

    - duas caractersticas mecnicas: compresso simples do material rocha e o ngulo de atrito

    das descontinuidades.

    A aplicao da "descrio bsica" deve fazer-se aps realizado um zonamento prvio do macio a

    classificar, isto , depois de identificar as zonas em que, dentro de cada uma, haja certa uniformidade

    de propriedades. Este zonamento pode ser feito com base em variaes de litologia, de estado de

    alterao, de grau de fracturao, etc..

    No que respeita caracterizao geolgica recomendado fazer referncia por um lado

    classificao litolgica e petrogrfica, composio mineralgica, textura, cor, etc., por outro lado ao

    grau de alterao das rochas (W1 ... W5 ver Tabela 5.1), natureza das descontinuidades e das

    estruturas geolgicas (dobras, falhas, atitude das famlias de descontinuidades, etc.) dos macios

    rochosos.

    Em relao s duas caractersticas estruturais, o espaamento das descontinuidades que constituem

    fracturas e a espessura das camadas, a ISRM props que fossem adoptados idnticos valores para

    os limites das vrias classes. As designaes das classes dos espaamentos das fracturas (F1 ... F5)

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.9

    e as das espessuras das camadas (L1 ... L5) (cujos valores so coincidentes) so, respectivamente

    apresentadas nas Tabela 5.2 e Tabela 5.4.

    Tabela 5.4 - Espessura das camadas.

    Smbolos Espessura da camada (cm) Designao

    L1 > 200 muito espessas

    L2 60 - 200 espessas

    L3 20 - 60 espessura mediana

    L4 6 - 20 delgadas

    L5 < 6 muito delgadas

    Nas Tabela 5.5 e Tabela 5.6 so apresentadas, respectivamente, as classificaes relativas s duas

    caractersticas mecnicas: a resistncia compresso simples (S1 ... S5) e o ngulo de atrito das

    descontinuidades (A1 ... A5), este definido a partir da tangente envolvente de rotura correspondente

    tenso normal de 1 MPa.

    Tabela 5.5 - Resistncia compresso simples.

    Smbolos Resistncia compresso simples (MPa) Designao

    S1 > 200 muito elevada

    S2 60 - 200 elevada

    S3 20 - 60 mdia

    S4 6 - 20 baixa

    S5 < 6 muito baixa

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    Tabela 5.6 - ngulo de atrito das fracturas.

    Smbolos ngulo de atrito Designao

    A1 > 45 muito elevado

    A2 35 - 45 elevado

    A3 25 - 35 mdio

    A4 15 - 25 baixo

    A5 < 15 muito baixo

    Em rochas exibindo comportamento anisotrpico ntido, devem ser registados os valores das

    resistncias mdias obtidas nas diferentes direces, e, ainda, a direco para a qual ocorre o valor

    mais baixo das resistncias.

    Na descrio geotcnica bsica, cada zona em que o macio subdividido pode ser abreviadamente

    caracterizada por uma descrio geolgica sinttica, seguida dos smbolos classificativos

    correspondentes aos parmetros avaliados, por exemplo, "Granito W2, L1, F3, S2, A3". Sempre que o

    macio apresente caractersticas especiais ou as necessidades do projecto o requeiram, devero ser

    includas na descrio bsica as informaes complementares julgadas teis.

    5.3 CLASSIFICAES PARA FINS DE ENGENHARIA

    Os critrios de classificao apresentados, que se designaram genericamente por classificaes

    geolgicas, utilizam essencialmente elementos de anlises micropetrogrficas, de anlises qumicas e

    os que resultam essencialmente da observao macroscpica de amostras ou afloramentos. As

    classificaes de terrenos para fins de engenharia lanam mo de outros critrios, nos quais os

    ensaios fsicos de caracterizao ganham relevo.

    A classificao dos solos tema que ser devidamente aprofundado na disciplina de Mecnica dos

    Solos. Para as rochas no h ainda sistemas de classificao geomecnica aceites pela generalidade

    da comunidade tcnica. Contudo, os critrios mais correntes de classificao do "material rocha"

    baseiam-se, na sua maioria, nos parmetros mdulo de elasticidade (E), resistncia compresso

    simples (sc) e velocidades de propagao das ondas ultrassnicas (Vp e Vs), por serem, por um lado,

    valores que facilmente podem ser obtidos atravs de ensaios e, por outro, por caracterizarem de

    modo significativo o comportamento mecnico da rocha.

    Do mesmo modo que a fissurao em provetes de rocha afecta os valores das velocidade de

    propagao das ondas, tambm a fracturao ou as descontinuidades nos terrenos, principalmente se

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.11

    estas estiverem abertas, iro afectar as velocidades de propagao que se obtm em ensaios

    realizados in situ.

    Assim, no que se refere a macios rochosos, como critrios de classificao utilizam-se com

    frequncia quer o valor da velocidade de propagao de ondas elsticas, quer o quociente das

    velocidades de propagao de ondas elsticas medidas respectivamente no campo (num macio) e

    num provete (em laboratrio).

    A avaliao da qualidade do macio rochoso feita com base no primeiro destes critrios (velocidades)

    no distingue o efeito da fracturao do macio da qualidade da rocha que o constitui, j que podem

    obter-se idnticas velocidades em dois macios diferentes em que a pior qualidade da rocha de um

    deles compensada pelas perturbaes causadas pela presena de um maior nmero de

    descontinuidades no outro.

    Com o ltimo daqueles critrios (quociente de velocidades) j possvel avaliar o efeito das

    descontinuidades no comportamento do macio rochoso ao serem comparadas as velocidades de

    propagao das ondas no macio VP,m - com os valores da velocidade de propagao de idntico

    tipo de ondas determinado laboratorialmente em provetes de rocha VP,l do mesmo macio e

    submetidos, para simulao das condies de campo, a uma tenso de compresso correspondente

    ao peso dos terrenos de cobertura in situ. Em princpio, se no macio no existissem

    descontinuidades e se o meio fosse isotrpico, o valor do quociente seria igual unidade. O desvio

    desse valor deve-se, em regra, presena dessas descontinuidades e ao atraso que elas introduzem

    na propagao das ondas longitudinais.

    Na Tabela 5.7 apresenta-se uma classificao da qualidade dos macios rochosos baseada nos

    valores do quociente VP,m/VP,l , ou da relao entre os mdulos de elasticidade dinmicos obtidos in

    situ (Ed,m) e em laboratrio (Ed,l), e apresenta-se a correlao destes quocientes com os valores do

    RQD e com a frequncia das fracturas do macio.

    Tabela 5.7

    Qualidade do Macio Rochoso VP,m /VP,l Ed,m / Ed,l

    Frequncia das fracturas RQD

    muito fraca < 0,4 < 0,2 > 15 0 - 25%

    fraca 0,4 0,6 0,2 0,4 15 8 25 - 50%

    razovel 0,6 0,8 0,4 0,6 8 5 50 - 75%

    boa 0,8 0,9 0,6 0,8 5 1 75 - 90%

    excelente 0,9 1,0 0,8 1,0 < 1 90 - 100%

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.12

    Uma informao quanto qualidade do macio rochoso, baseada nos resultados da prospeco

    ssmica, pode tambm ser dada pelo amortecimento do sinal quando da realizao da prospeco

    ssmica in situ. Se h um amortecimento rpido da onda o macio rochoso , em geral, de boa

    qualidade, mas no caso de a amplitude se mantiver por algum tempo a rocha em regra de m

    qualidade. Note-se, no entanto, que os critrios acima referidos, baseados na velocidade de

    propagao das ondas, perdem o sentido quando se est em presena de macios fortemente

    anisotrpicos j que os valores medidos variam apreciavelmente de acordo com a direco da

    solicitao do ensaio.

    Os deslocamentos de macios rochosos submetidos a ciclos de carga e descarga so anlogos aos

    respeitantes compresso simples em rochas (ver Propriedades ndice e classificao das rochas),

    apesar de os estados de tenso serem em regra triaxiais e no uniformes.

    Determinado tipo de materiais, tal como grande parte das rochas xistosas, exibem um comportamento

    francamente anisotrpico que necessrio ter em considerao quando se pretendem analisar as

    suas caractersticas.

    Vrios autores tm procurado estabelecer sistemas de classificao de macios rochosos com vista a

    uma caracterizao da estabilidade desses macios quando interessados por obras de engenharia,

    nomeadamente obras subterrneas.

    Reconhece-se, assim, de interesse apresentar alguns desses sistemas de classificao e

    simultaneamente ilustrar algumas das aplicaes prticas. Como se ir verificar, estes sistemas de

    classificao baseiam-se, por vezes, em parmetros e classificaes referidos nos itens precedentes.

    5.4 CLASSIFICAES GEOMECNICAS

    As classificaes geomecnicas so utilizadas para caracterizar os macios rochosos atravs de um

    conjunto de propriedades identificadas por observao directa e ensaios realizados in situ ou em

    amostras recolhidas em sondagens. O interesse destas classificaes consiste tambm em

    sistematizar o conjunto de elementos geotcnicos que interessa caracterizar num determinado macio

    rochoso.

    Entre as vrias classificaes geomecnicas referem-se as de Bieniawski (Sistema RMR) e Barton

    (Sistema Q).

    5.4.1 Classificao de Bieniawski (Sistema RMR)

    Bieniawski publicou esta classificao em 1976, tendo por base uma vasta experincia colhida em

    obras subterrneas. A classificao de Bieniawski ou Sistema RMR (Rock Mass Rating) ,

    actualmente, muito divulgada e tem sido sucessivamente refinada medida que so includos os

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.13

    resultados de anlises de um maior nmero de casos prticos. Neste texto ser apresentada a verso

    de 1989.

    A classificao geomecnica baseada no princpio da atribuio de pesos aos seis parmetros que

    Bieniawski considerou contriburem mais significativamente para o comportamento dos macios

    rochosos, tendo em ateno especial o caso das obras subterrneas. O somatrio dos pesos

    atribudos a cada um destes parmetros constitui um ndice, usualmente designado por RMR, ao qual

    corresponde uma das cinco classes de qualidade de macios, consideradas pelo autor. Os

    parmetros utilizados so os seguintes:

    1. Resistncia compresso uniaxial da rocha intacta;

    2. RQD (Rock Quality Designation);

    3. Espaamento das descontinuidades;

    4. Condio das descontinuidades;

    5. Influncia da gua;

    6. Orientao das descontinuidades.

    A aplicao da classificao a um macio rochoso implica a diviso deste em vrias regies

    estruturais (zonas) a serem classificadas separadamente. As fronteiras destas regies coincidem

    usualmente com as estruturas geolgicas principais, tais como falhas ou mudanas do tipo de rocha.

    Nalguns casos, dentro do mesmo tipo de rocha, as mudanas significativas no espaamento das

    descontinuidades, ou das caractersticas destas, podem obrigar subdiviso do macio rochoso num

    maior nmero de regies estruturais de menor dimenso.

    A Tabela 5.8 permite determinar os pesos relativos a cinco das caractersticas (1. a 5.). O peso

    relativo condio descontinuidades (4.) pode ser determinado atravs da Tabela 5.9 se houver uma

    descrio mais detalhada das juntas. Neste caso, o valor do peso determinado atravs da soma dos

    cinco parmetros caractersticos destas referidos nessa tabela. No caso de no haver valores

    disponveis para utilizar esta tabela dever ser escolhida a descrio da Tabela 5.9 mais prxima da

    realidade.

    A orientao das descontinuidades em relao orientao da escavao traduz-se num peso (6.)

    que constitui um factor corrector do somatrio e determinado atravs da Tabela 5.10. A direco

    das descontinuidades aqui referida corresponde do strike (recta horizontal) do plano destas.

    Tratando-se por exemplo da escavao de um tnel, a abertura no sentido da inclinao da

    descontinuidade corresponder indicada na Figura 5.3.a e a abertura contra a inclinao Figura

    5.3.b.

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.14

    a) b)

    Figura 5.3 - Orientao de um tnel em relao aos planos de descontinuidades.

    A Tabela 5.11 classifica o macio rochoso em cinco classes de acordo com o valor do ndice RMR,

    dando ainda indicaes do tempo mdio de auto-sustentao para vos no revestidos em tneis

    (perodos de tempo durante os quais dever ser colocado o suporte sob pena de ocorrer o colapso

    previsvel da abertura). So tambm dadas estimativas relativas s caractersticas resistentes do

    macio rochoso, nomeadamente, a coeso e o ngulo de atrito.

    Finalmente refira-se que o ndice RMR tem sido correlacionado com o valor do mdulo de

    deformabilidade do macio rochoso. De entre as vrias relaes sugeridas merece especial destaque

    a expresso proposta em 1983, baseada na anlise de um nmero razovel de casos observados

    (Figura 5.4).

    Bieniawski (1978) )50(1002 >-= RMRRMREm

    Serafim e Pereira (1983) 4010

    10-

    =RMR

    mE

    (Nota: Valores de Em em GPa)

  • GE

    OLO

    GIA

    DE

    EN

    GE

    NH

    AR

    IA

    CLA

    SS

    IFIC

    A

    O

    DE

    MA

    CI

    OS

    RO

    CH

    OS

    OS

    5.15

    Tabela 5.8 - C

    lassificao geomecnica de B

    ieniawski (1989) - "R

    ock Mass R

    ating - RM

    R".

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.16

    Tabela 5.9 - Classificao da condio das descontinuidades - RMR (1989).

    Comprimento da descontinuidade

    (persistncia)< 1 m 1 - 3 m 3 - 10 m 10 - 20 m > 20 m

    Peso 6 4 2 1 0

    Separao (abertura)

    Nenhuma < 0,1 mm 0,1 - 1,0 mm 1 - 5 mm > 5 mm

    Peso 6 5 4 1 0

    Rugosidade Muito rugoso RugosoLigeiramente

    rugosoQuase liso Liso

    Peso 6 5 3 1 0

    Enchimento NenhumDuro com espessura

    < 5 mm

    Duro com espessura

    > 5 mm

    Mole com espessura

    < 5 mm

    Mole com espessura

    > 5 mm

    Peso 6 4 2 2 0

    Grau de alterao No alteradasLigeiramente

    alteradasModeradamente

    alteradasMuito alteradas

    Em decomposio

    Peso 6 5 3 1 0

    Tabela 5.10 - Efeito da orientao das descontinuidades - RMR (1989).

    Inclinao 45-90

    Inclinao 20-45

    Inclinao 45-90

    Inclinao 20-45

    Muito favorvel

    Favorvel Razovel DesfavorvelMuito

    desfavorvelRazovel Razovel

    Muito favorvel

    Favorvel Razovel DesfavorvelMuito

    desfavorvelTneis e

    minas0 -2 -5 -10 -12

    Fundaes 0 -2 -7 -15 -25

    Taludes 0 -5 -25 -50 -60

    Inclinao 0-20

    Abertura do tnel no sentido da inclinao

    Abertura do tnel no sentido inverso da

    inclinao Inclinao 45-90

    Inclinao 20-45

    Orientao das descontinuidades

    Pesos

    Direco perpendicular ao eixo do tnelDireco paralela ao eixo

    do tnel

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.17

    Tabela 5.11 - Classes de macios - RMR (1989).

    Peso global 100-81 80-61 60-41 40-21 < 21

    Classe I II III IV V

    DescrioMacio rochoso

    muito bomMacio rochoso

    bomMacio rochoso

    razovelMacio rochoso

    fracoMacio rochoso

    muito fraco

    Tempo mdio para aguentar sem

    suporte

    20 anos para 15 m de vo

    1 ano para 10 m de vo

    1 semana para 5 m de vo

    10 horas para 2,5 m de vo

    30 minutos para 1 m de vo

    Coeso da massa rochosa (kPa)

    > 400 300-400 200-300 100-200 45 35-45 25-35 15-25

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.18

    5.4.2 Classificao de Barton (Sistema Q)

    Com fundamento na observao dum grande nmero de escavaes subterrneas, Barton, Lien e

    Lund, do Norwegian Geotechnical Institute, propuseram, em 1974, uma classificao que assenta na

    definio de um ndice de qualidade Q baseado na anlise de 6 factores considerados relevantes para

    a caracterizao do comportamento dos macios rochosos.

    O valor numrico do ndice Q apresenta um largo campo de variao, entre 10-3 e 103, e

    determinado pela expresso seguinte:

    SRFJ

    JJ

    JRQD

    Q wa

    r

    n

    =

    Os parmetros da expresso de Barton tm o significado indicado nas Tabela 5.12 a Tabela 5.17.

    de salientar que os trs quocientes que compem a expresso correspondem a trs aspectos

    relativos ao macio rochoso:

    1. RQD / Jn caracteriza a estrutura do macio rochoso e constitui uma medida do bloco unitrio

    deste; o seu valor, varivel entre 200 e 0,5, d uma ideia genrica da dimenso dos blocos;

    2. Jr / Ja caracteriza as descontinuidades e/ou o seu enchimento sob o aspecto da rugosidade

    e do grau de alterao; este quociente crescente com o incremento da rugosidade e

    diminui com o grau de alterao das paredes em contacto directo, situaes a que

    correspondem aumentos da resistncia ao corte; o quociente diminui, tal como a resistncia

    ao corte, quando as descontinuidades tm preenchimentos argilosos ou quando se

    encontram abertas;

    3. Jw / SRF representa o estado de tenso no macio rochoso; o factor SRF caracteriza o

    estado de tenso no macio rochoso, em profundidade, ou as tenses de expansibilidade

    em formaes incompetentes de comportamento plstico, sendo a sua avaliao feita quer a

    partir de evidncias de libertao de tenses (exploses de rocha, etc.), quer a partir da

    ocorrncia de zonas de escorregamento ou de alterao localizada; o factor Jw representa a

    medida da presso da gua, que tem um efeito adverso na resistncia ao escorregamento

    das descontinuidades.

    Refira-se que o sistema Q considera os parmetros Jn, Jr e Ja como tendo uma importncia relativa

    superior ao papel desempenhado pela orientao das descontinuidades. Contudo, o parmetro

    orientao no totalmente ignorado, pois est implcita a sua contribuio nos factores Jr e Ja, dado

    que na ponderao destes devero ser consideradas as descontinuidades mais desvaforveis.

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.19

    Baseado no sistema de classificao Q so propostas recomendaes quanto ao tipo de suporte

    necessrio estabilidade de macios rochosos interessados na construo de tneis. Na Figura 5.5

    apresenta-se um grfico proposto por Grimstad e Barton (1993) que permite estimar o tipo de suporte

    em funo do valor designado por Dimenso Equivalente, De, da escavao. Esta grandeza obtida

    dividindo o vo, dimetro ou altura da escavao por um ndice, ESR (Excavation Support Ratio), que

    constitui um factor de segurana definido em funo do tipo de obra (Tabela 5.18).

    O mdulo de deformabilidade (em GPa) do macio rochoso pode tambm ser estimado atravs da

    expresso de Barton (1992):

    QEm log25=

    Conforme se pode observar na Figura 5.4, esta expresso quando comparada com a proposta por

    Serafim e Pereira, correlacionando o mdulo de deformabilidade com o valor do RMR, evidencia uma

    menor aproximao aos valores determinados a partir dos deslocamentos medidos em casos

    concretos de obras.

    Existem expresses que correlacionam os ndices RMR e Q. No grfico da Figura 5.6 est

    representado um vasto conjunto de situaes objecto de estudo, sendo a expresso RMR = 9 ln Q +

    44 a que melhor correlaciona aqueles ndices.

    Tabela 5.12 - RQD - Designao da qualidade da rocha (Q.1).

    Valor

    R.Q.D.

    A. Muito mau 0-25 1. Quando o RQD for < 10 (incluindo 0) considera-se um valor nominal de 10 no clculo de Q

    B. Mau 25-502. Intervalos de 5 no RQD tm preciso suficiente (100,

    95, 90, )

    C. Mdio 50-75

    D. Bom 75-90

    E. Muito bom 90-100

    NotasDescrio do Parmetro

    "Rock Quality Designation"

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.20

    Tabela 5.13 - J n - ndice das famlias de juntas (Q.2).

    Valor

    J n

    A.Nenhuma ou poucas descontinuidades

    presentes0,5 - 1,0

    B. Uma famlia de descontinuidades 2

    C.Uma famlia mais descontinuidades

    esparsas3

    D. Duas famlias de descontinuidades 4

    E.Duas famlias mais descontinuidades

    esparsas6

    F. Trs famlias de descontinuidades 9

    G.Trs famlias mais descontinuidades

    esparsas12

    H.Quatro ou mais famlias, descontinuidades

    esparsas, macios muito fracturados15

    I. Rocha esmagada, tipo terroso 20

    2. Nas embocaduras utilizar 2 x J n

    "Joint set number"

    Descrio do Parmetro Notas

    1. Nas interseces utilizar 3 x J n

    Tabela 5.14 - J r - ndice de rugosidade das juntas (Q.3).

    Valor

    J r

    A. Juntas descontnuas 42. Adicionar 1,0 se o espaamento mdio da famlia de

    descontinuidades mais relevante for maior que 3 m

    B. Descontinuidades rugosas, irregulares, onduladas 3

    C. Descontinuidades suaves e onduladas 2

    D. Descontinuidades polidas e onduladas 1,5

    E. Descontinuidades rugosas ou irregulares, planas 1,5

    F. Descontinuidades lisas, planas 1,0

    G. Descontinuidades polidas, planas 0,5

    H. Zona contendo minerais argilosos e suficientemente espessa de modo a impedir o contacto entre as paredes

    1,0

    I. Zonas esmagadas contendo areias de modo a impedir o contacto entre as paredes

    1,0

    c) No h contacto entre as paredes de rocha no escorregamento

    J r igual a 0,5 pode ser usado para descontinuidades polidas e planas contendo lineaes, se essas lineaes estiverem orientadas na direco de menor resistncia

    "Joint roughness number"

    Descrio do Parmetro Notas

    a) Contacto entre as paredes de rocha das descontinuidades

    b) Contacto entre as paredes de rocha antes de 10 cm de escorregamento

    As descries das alneas a) e b) referem-se a escalas de amostragem de pequena e mdia dimenso, respectivamente

    1.

    3.

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.21

    Tabela 5.15 - J a - Grau de alterao das descontinuidades (Q.4).

    J af r () aprox.

    A. Paredes duras, compactas, preenchimentos impermeveis (quartzo ou epibolito) 0,75 -

    B. Paredes no alteradas, somente com leve descolorao 1,0 25-35

    C. Paredes ligeiramente alteradas, com partculas arenosas e rochas desintegradas no brandas 2,0 25-30

    D. Paredes com partculas siltosas ou areno-argilosas 3,0 20-25

    E.Paredes com partculas de materiais moles ou de baixo ngulo de atrito, tais como caulinite, mica, gesso, talco,

    clorite, grafite, etc., e pequenas quantidades de argilas expansivas4,0 8-16

    F. Paredes com partculas de areia e rochas desintegradas, etc 4,0 25-30

    G. Descontinuidades com preenchimento argiloso sobreconsolidado (contnuo, mas com espessura < 5 mm) 6,0 16-24

    H. Descontinuidades com preenchimento argiloso subconsolidado (contnuo, mas com espessura < 5 mm) 8,0 12-16

    I.Descontinuidades com enchimento argiloso expansivo, como por exemplo montmorilonite (contnuo, mas com espessura < 5 mm); o valor de Ja depende da percentagem de partculas de argila expansiva e do acesso da

    gua, etc8-12 6-12

    J.Zonas ou bandas com rochas desintegradas ou esmagadas com argila (ver G, H e I para condies do material

    argiloso)6,8 ou 8-12

    6-24

    K. Zonas ou bandas siltosas ou areno-argilosas, com pequena fraco de argila 5,0 -

    L. Zonas contnuas de argila (ver G, H e I para condies do material argiloso)10,13, 13-20

    6-24

    "Joint alteration number"

    Descrio do Parmetro

    c) No h contacto entre as paredes de rocha das descontinuidades

    b) Contacto entre as paredes de rocha das descontinuidades antes de 10 cm de escorregamento

    Valor

    a) Contacto entre as paredes de rocha das descontinuidades

    Nota: Os valores do ngulo de atrito residual (f r ) devem considerar-se como um guia aproximado das propriedades mineralgicas dos produtos de alterao

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.22

    Tabela 5.16 - J w - ndice das condies hidrogeolgicas (Q.5).

    J wPresso da gua

    aprox. (MPa)

    A.Escavaes secas ou caudal afludo pequeno, isto < 5 l/min localmente 1,0 < 0,1

    B.Caudal mdio ou presso que

    ocasionalmente arraste o preenchimento das descontinuidades

    0,66 0,1-0,25

    C.Caudal ou presso elevada em rochas

    competentes sem preenchimento 0,5 0,25-1

    D.Caudal ou presso elevada, com

    considervel arrastamento do preenchimento das descontinuidades

    0,3 0,25-1

    E.Caudal excepcionalmente elevado ou

    presso explosiva, decaindo com o tempo 0,2-0,1 > 1

    F.Caudal excepcionalmente elevado ou presso contnua, sem decaimento 0,1-0,05 > 1

    Os problemas especiais relacionados com a formao de gelo no so considerados

    2.

    "Joint water reduction"

    Descrio do Parmetro Valor Notas

    Os factores nos casos C a F so estimados para condies naturais; o parmetro Jw dever ser aumentados caso sejam efectuadas drenagens

    1.

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    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.23

    Tabela 5.17 - SRF - Factor de reduo de tenses (Q.6).

    Valor

    SRF

    1.

    A.Zonas de fraqueza frequentes, contendo argila ou rocha decomposta quimicamente; macio

    rochoso envolvente muito descomprimido (todas as profundidades)10,0

    B.Zonas de fraqueza individuais, contendo argila ou rocha decomposta quimicamente

    (profundidades da escavao 50 m)2,5

    2.

    D.Numerosas zonas de corte em rocha competente, sem argila; rocha envolvente descomprimida

    (todas as profundidades)7,5

    E.Zonas individuais de corte em rocha competente, sem argila (profundidades da escavao 50 m) 2,5

    G. Juntas abertas, rocha muito fracturada e descomprimida (todas as profundidades) 5,0

    s c / s 1 s t / s 1

    H. Tenses baixas, prximo da superfcie 2,5 > 200 > 13

    I. Tenses mdias 1,0 200-10 13-0,66

    J.Tenses altas, estrutura rochosa muito fechada (usualmente favorvel para a estabilidade; pode

    ser desfavorvel para a estabilidade das paredes)0,5-2,0 10-5 0,66-0,33

    K. Exploses moderadas de rochas (rocha macia) 5-10 5-2,5 0,33-0,16

    L. Exploses intensas de rochas (rocha macia) 10-20 < 2,5 < 0,16

    M. Presso moderada da rocha esmagada 5-10

    N. Presso elevada da rocha esmagada 10-20

    O. Presso de expanso moderada 5-10

    P. Presso de expanso elevada 10-15

    Reduzir o ndice SRF de 25 a 50% se as zonas de corte influenciarem a escavao sem a atravessarem

    No caso de macios rochosos contendo argila, conveniente obter o ndice SRF para as cargas de descompresso. A resistncia da matriz rochosa ento pouco significativa. Em macios muito pouco fracturados e sem argila,

    Notas

    c) Rocha esmagada: plastificao de rochas incompetentes sob a influncia de altas presses de rocha

    d) Rochas expansivas: actividade qumica expansiva devida presena da gua

    b) Rocha competente, problemas de tenses na rocha

    "Stress Reduction Factor"

    Descrio do Parmetro

    a) Zonas de fraqueza intersectando as escavaes, o que pode causar a descompresso do macio rochoso durante a abertura destas

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.24

    Tabela 5.18 - ndice de segurana ESR para diferentes obras subterrneas (Q).

    Classe Tipo de escavao ESR

    A. Cavidades mineiras temporrias 3-5

    Poos verticais de seco circular 2,5

    Poos verticais de seco quadrada ou rectangular 2,0

    C.

    Cavidades mineiras definitivas, tneis de aproveitamentos hidrulicos (excepto tneis sob presso), tneis piloto, tneis de desvio, escavaes superiores de grandes

    cavidades

    1,6

    D.Cavernas de armazenagem, estaes de tratamento de guas, pequenos tneis rodo-ferrovirios, chamins de

    equilbrio, tneis de acesso1,3

    E.Centrais subterrneas, tneis rodo-ferrovirios de grande

    dimenso, abrigos de defesa, bocas de entrada, interseces

    1,0

    F.Centrais nucleares subterrneas, estaes de caminhos

    de ferro, fbricas0,8

    B.

    Figura 5.5 - Classes de suporte definidas para o sistema Q (Grimstad e Barton, 1993).

  • GEOLOGIA DE ENGENHARIA

    CLASSIFICAO DE MACIOS ROCHOSOS 5.25

    Figura 5.6 - Correlaes entre os ndices RMR e Q.

    Bibliografia

    Ingeniera geolgica / Luis I. Gonzlez de Vallejo... [et al.]. - Madrid [etc.] : Prentice Hall, 2002.

    Practical Rock Engineering / Evert Hoek, 2000 Edition, http://www.rocscience.com