Cap 5 - Princípios Básicos de Mecânica das Rochas - 2009

Princípios Básicos de Mecânica das Rochas

Capítulo 5

Anna Laura L. S. Nunes

2009 .

Princípios Básicos de Mecânica das Rochas ALLSNunes, 2009 78

Capítulo 5 Propriedades de Resistência e Deformabilidade de Descontinuidades 5.1 Características Geológico - Estruturais de Descontinuidades Descontinuidades : microfissuras fissuras juntas planos de acamamento fraturas falhas

As descontinuidades afetam as propriedades de resistência, deformabilidade e

permeabilidade do maciço rochoso.

Características das Descontinuidades: orientação, espaçamento, persistência,

rugosidade, resistência da parede, abertura, permeabilidade, número de famílias,

tamanho de bloco (Figura 4.1)

Figura 4.1 . Características das descontinuidades.

PreenchimentoFamília de

descontinuidades

Rugosidade

SONDAGEM OU TRENA

Persistência

Tamanho de Bloco

Percolação

Resistênciadas

Paredes

Família de descontinuidades

Abertura Mergulho Direção

N

Espaçamento


5.1.1 Orientação da Descontinuidade - Atitude da descontinuidade no espaço, medida pela direção do mergulho (dip

direction), direção ou azimute (strike) e ângulo de mergulho (dip), conforme

esquematizado na Figura 4.2.

- Direção (strike): Linha de intersecção de um plano inclinado obliquamente com o

plano de referência horizontal; Forma ângulos retos com o plano de mergulho e

com a direção do mergulho.

- Mergulho (dip): Máxima inclinação do plano estrutural da descontinuidade em relação

à horizontal.

- Direção de Mergulho (dip direction): direção da horizontal traçada pela linha

de mergulho medida no sentido horário a partir do Norte.

Figura 4.2. Esquema de orientação da descontinuidade.

N

Direção

domergulho

Mergulho

Dip

Direção

Strike


5.1.2 Espaçamento da descontinuidade Corresponde à distância de separação entre descontinuidades adjacentes (Figura 4.3).

É medida em afloramentos, testemunhos (Fitas graduadas) e furos de sondagem

(Câmeras televisivas e fotográficas, Periscópios).

A Tabela 4.1 apresenta a classificação de espaçamento das descontinuidades

conforme proposto pela ISRM (1981).

Figura 4.3. espaçamento de descontinuidades medido pelo método Scanline de Brady

& Brown (1993).

Tabela 4.1. Classificação de espaçamentos entre descontinuidades (ISRM, 1981)

Descrição da Descontinuidade Espaçamento (mm)

Extremamente pouco espaçada Muito pouco espaçada

Pouco espaçada Moderadamente espaçada

Espaçada Muito espaçada

Extremamente espaçada

< 20 20 - 60 60 - 200 200 - 600 600 - 2000 2000 - 6000

> 6000

D

X

X

Ponto de Terminação

Descontinuidades

L

Trena


5.1.3 Persistência da Descontinuidade

Corresponde à extensão em área (ou dimensão) da descontinuidade. É estimada

pelo comprimento dos traços das juntas nas faces dos maciços rochosos (Figura

4.4)

Figura 4.4. Persistência de descontinuidades (ISRM, 1981)

- Categorias típicas: Persistente; Sub-persistente; Não persistente (Tabela 4.2)


Tabela 4.2. Classificação da descontinuidade em relação à persistência (ISRM, 1981).

Grau da Persistência Comprimento da descontinuidade

(m)

Muito baixa Baixa Média Alta

Muito alta

< 1 1 - 3

3 - 10 10 - 20 > 20

5.1.4 Rugosidade da Descontinuidade

- Caracterizada por: ondulação em grande escala; dilatação no deslocamento

desnivelamento em pequena escala; trituração no desloc.

- Medição por bússolas e clinômetros de bolso (métodos pouco sofisticados),

conforme ilustrado na Figura 4.5.

Figura 4.5. Escala de medida da rugosidade de descontinuidades.


- Classificação da rugosidade através de perfis típicos (ISRM, 1981): Degrau,

ondulada; planar (Figuras 4.6 e 4.7).

Figura 4.6. Classificação da rugosidade da descontinuidade (ISRM, 1981)


Figura 4.7. Classificação da rugosidade da descontinuidade (ABGE, 1984).

5.1.5 Abertura da Descontinuidade

- Distância perpendicular de separação entre as paredes de uma descontinuidade

aberta cujo interior apresenta água ou ar (Figura 4.7).

Recortada

Ondulada

Plana

Rugosa

Rugosa

Rugosa

Lisa

Lisa

Lisa

Polida

Polida

Polida

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX


Largura : Descontinuidade com preenchimento sólido

Abertura : Descontinuidade sem preenchimento

Figura 4.7. Representação esquemática de abertura e largura da descontinuidade.

A Tabela 4.3 apresenta a classificação de abertura da descontinuidade.

Tabela 4.3. Classificação de abertura da descontinuidade (ISRM, 1981)

Abertura Descrição Grupo

< 0,1 mm 0,1 - 0,25 mm 0,25 - 0,5 mm

Muito estreita Estreita

Parcialmente estreita

Feições fechadas

0,5 - 2,5 mm 2,5 - 10 mm

> 10 mm

Aberta Moderadamente aberta

Larga

Feições entreabertas

1 - 10 cm

10 - 100 cm > 1 m

Muito larga Extremamente larga

Cavernosa

Feições abertas

Descontinuidadefechada

Descontinuidadeaberta

Descontinuidadepreenchida

Abertura Largura


5.1.6 Material de Preenchimento da Descontinuidade

- Material que ocupa a distância entre as paredes da descontinuidade (largura)

- Tipo de material afeta a : Resistência ao cisalhamento

Deformabilidade

Permeabilidade

- Fatores condicionantes mais importantes do comportamento da descontinuidade:

Mineralogia

Distribuição granulométrica

Razão de pré-adensamento do material de preenchimento

Teor de umidade e permeabilidade

Deslizamento cisalhante prévio

Rugosidade

Largura da parede da descontinuidade

Estado de fraturamento

esmigalhamento

5.1.7 Número de Famílias e Tamanho de Bloco

A classificação de maciços rochosos pode ser realizada através das características dos

blocos, conforme Tabela 4.4 (ISRM, 1981) e esquema da Figura 4.8.


Tabela 4.4. Classificação do maciço rochoso em função do tipo das características dos blocos (ISRM, 1981)

Maciço Rochoso Características dos Blocos

Maciço Poucas juntas ou grande espaçamento

Em blocos Blocos aproximadamente equidimensionais

Tabular Uma dimensão bastante menor que as outras

Colunar Uma dimensão bastante maior que as outras

Irregular Grandes variações de tamanho e formato

Britado Extremamente fraturado

Figura 4.8. Características dos blocos em maciços fraturados.


5.2 Amostragem de Descontinuidades Técnicas para amostragem das descontinuidades para ensaios de laboratório:

1- Perfuração de grande diâmetro orientada longitudinalmente ou perpendicularmente à descontinuidade (Figura 4.9.a); 2 - Extração de blocos com a descontinuidade não perturbada (Figura 4.9.b); Obs: recomenda-se a instalação de chumbadores

(a) Perfuração de grande diâmetro perpendicular ao plano da junta

(b) Extração de bloco com junta não perturbada Figura 4.9. Amostragem de descontinuidades.


Técnicas especiais: desenvolvimento e/ou moldagem de juntas artificiais

- Criação da junta por ensaio de tração ou compressão triaxial (Figura 4.10);

- Moldagem das superfícies da descontinuidade natural através de borracha ou silicone.

Figura 4.10. Criação da descontinuidade por meio de ensaio de compressão triaxial de rocha intacta.


5.3 Ensaios de Resistência de Descontinuidades 5.3.1 Ensaio de Cisalhamento Direto

- amostra cimentada nas partes inferior e superior da caixa cisalhante

- superfície da descontinuidade coincide com o plano de cisalhamento do

equipamento (Figura 4.10)

Figura 4.10. Equipamentos para ensaios de cisalhamento direto: (a) bancada e (b)

portátil.


5.3.2. Ensaio de Compressão Triaxial - amostra de rocha contendo a descontinuidade inclinada de ϕ em relação ao

eixo longitudinal (Figura 4.11 e Figura 4.12). - 0o < ϕ < 70o ocorrência de deslizamento pela junta

critério de resistência da descontinuidade

Figura 4.11. Ensaio triaxial de amostra com descontinuidade.


Figura 4.12. Representação esquemática da mostra com descontinuidade no ensaio de

compressão triaxial.

5.3.3 Ensaio Triaxial de Mútiplos Estágios

- Aumento da pressão confinante inicial σ3,0 para um valor σ3,1 no momento em

que se inicia o deslizamento pela junta (ponto A) representa o primeiro

estágio; aumento de σ3,1 para σ3,2 configura o segundo estágio (ponto B) e

assim sucessivamente (Figuras 4.13 e 4.14).

Figura 4.13. Reprrsentação do ensaio triaxial de múltiplos estágios para

descontinuidade.


Figura 4.14. Curvas Tensão VS deformação axial e Envoltórias de resistência do ensaio

triaxial de múltiplos estágios.

5.3.4 Ensaio de rampa (Tilt test)

Determinação do ângulo de atrito residual da superfície da descontinuidade (Figura

4.15).

Figura 4.15. Ensaio de rampa executado em descontinuidade de gnaisse alterado.


5.4 Critérios de Resistência de Descontinuidades

5.4.1 Critério de Mohr-Coulomb

Empregado para condições de descontinuidades planas (Figura 4.16)

Figura 4.16. Critério de Mohr Coulomb para juntas lisas e planas.

Para pico : τ = cj + σ tan φj

cj = intercepto coesivo (=coesão do material de cimentante ou de

preenchimento da junta) ;

φϕ = ângulo de atrito.

Para estado residual : τ = σ tan φj res

cj res = 0 coesão totalmente destruída


5.4.2 Critério de Patton (1966)

- presença de rugosidades regulares (inclinação i em relação à direção da

tensão cisalhante) nas superfícies da descontinuidade (Figura 4.17).

- ângulo de atrito efetivo da superfície de deslizamento é a soma do ângulo de

atrito intrínseco da junta (φμ) e do ângulo da rugosidade (i) :

φef = φb + i

φb�= 21o a 44o (30o , Goodman, 1989)

φb = baixos para material de preenchimento argiloso (6o)

i = 0o (parede lisa) a mais de 40o (função da tensão normal reduzida)

(φb+ i)

τ

σn

resj

jrans tan)itan(

cφφ

σ−+

=

Figura 4.17. Critério de Patton para descontinuidades rugosas.

τ = σ tan (φj + i) , para σ < σtrans

τ = cj + σ tan φres , para σ > σtrans

resj

j

tan)itan(c

φ−+φ=τ

σtrans


5.4.3. Critério de Barton (1974)

τ = σ tan [ φj + JRC log10 ( JCS ) ] σ JCS : Joint Compressive Strength, coeficiente de resistência à compressão da junta

(determinado através da Figura 4.18)

JCS ~ σc para superfície de rocha não alterada

JCS ~ α σc para superfície de rocha alterada

JRC : Joint Roughness Coefficient - Coeficiente de rugosidade da junta

(perfis típicos ilustrados na Figura 4.19)

φj : ângulo de atrito da junta

Limites de utilização:

φj + JRC log10 ( JCS ) ≤ 70o σ

0,01 < σ < 0,3 σc


JCS Determinado com ensaio de Martelo Schmidt

Figura 4.18. Determinação de JCS através do ensaio com martelo Schmitd.


0 5 cm 10

JRC = 0 - 2

JRC = 2 - 4

JRC = 4 - 6

JRC = 6 - 8

JRC = 8 - 10

JRC = 10 - 12

JRC = 12 - 14

JRC = 14 - 16

JRC = 16 - 18

JRC = 18 - 20

Rugosidade da superfície JRC

Figura 4.19. Determinação por exame visual do coeficiente de rugosidade de junta. JRC.

Cap 5 - Princípios Básicos de Mecânica das Rochas - 2009

Documents

Transcript of Cap 5 - Princípios Básicos de Mecânica das Rochas - 2009