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8 Congresso Nacional de Geotecnia, Lisboa 2002

MTODO EXPEDITO PARA DETERMINAO DAS CARACTERSTICASDE CORTE DE ROCHAS E DE DESLIZAMENTO DE DIACLASES

A QUICK METHOD FOR DETERMI NING THE SHEAR STRENGTH OF

ROCKS AND DISCONTI NUI TI ES

DINIS DA GAMA, CARLOS*CARANHOLA PEREIRA, HUGO**REIS E SOUSA, MANUEL***

RESUMO

No presente artigo descrito um mtodo expedito para a realizao de ensaios paracaracterizao da resistncia de rochas ao corte e da resistncia de diaclases ao deslizamento, eapresentam-se os resultados obtidos com o mesmo. O mtodo tem, relativamente ao mtodotradicional, a vantagem de possibilitar a realizao de ensaios para determinao dascaractersticas de corte de rochas e de deslizamento de diaclases, sem preparaes especiais emorosas das amostras, e, ainda, a de utilizar um nico sistema de aplicao de foras. Para almde reduzir o custo dos mesmos, permite a obteno de resultados em curto espao de tempo. Aensaios de corte, foram submetidas amostras constitudas por quatro tipos diferentes de rocha; aensaios de deslizamento, foram submetidas quatro amostras contendo descontinuidades

pertencentes a diferentes famlias de diaclasamento ocorrentes num macio grantico.Conclui-se pela aplicabilidade desta tcnica, face s vantagens operacionais que oferece e boaqualidade dos resultados que produz, nomeadamente para a determinao de parmetros deresistncia ao corte de rochas e das suas envolventes de rotura.

ABSTRACT

A simple method for the determination of shear strength of rock materials and discontinuities isdescribed, as well as the results obtained upon its utilization. The method shows severaladvantages with respect to the traditional technique of direct shear strength measurements,namely by requiring less time consuming sample preparation procedures, under a uniqueapplied loading. Lower testing costs and shorter times to obtain the desired results are the mainadvantages. To prove the method capabilities, four rock types and four granitic rock joints weretested with success.Therefore, the applicability of the method may be confirmed due to the good quality of results

both for providing shear strength parameters and for establishing failure envelopes for rocksand discontinuities.

(*)Presidente do Centro de Geotecnia do Instituto Superior Tcnico , [email protected](**)Investigador do Ncleo de Rochas, Centro de Geotecnia do IST, [email protected](***) Tcnico Especialista do Ncleo de Rochas, Centro de Geotecnia do IST

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1. INTRODUO

O conhecimento das caractersticas mecnicas das rochas constituintes dos macios rochosossobre os quais so fundadas obras de grande porte da maior importncia para a avaliao dascondies de segurana dessas mesmas obras. Para que os valores determinados em ensaio,como definidores daquelas caractersticas, sejam representativos da rocha que envolve toda afundao da obra, necessrio que o nmero de amostras a ensaiar tenha em considerao, quera dimenso da obra, quer as foras que a mesma transmite fundao, quer, ainda, o tipo derocha ou rochas ocorrentes. Na maioria dos casos, para uma suficiente caracterizao da rochade fundao da obra, necessrio proceder ao ensaio de aprecivel nmero de amostras. Porisso, procura-se aplicar mtodos de ensaio que, alm de fiveis, sejam expeditos, por forma aque o tempo para a realizao do nmero de ensaios julgado necessrio seja compatvel com o

prazo dado pelo projectista da obra, para a apresentao dos resultados dos ensaios.

Dos mtodos usualmente seguidos para a determinao das diversas caractersticas mecnicasdas rochas, o que respeita determinao das caractersticas de corte de rochas e scaractersticas de deslizamento de diaclase ser, certamente, um dos mais morosos e maisdispendiosos.

A tcnica de ensaio de corte de rochas [1] e de deslizamento de diaclases [2], [4] habitualmenteseguida consiste, fundamentalmente, na aplicao de foras normais e de foras tangenciais esperada superfcie de rotura, no caso de corte de rocha, ou s superfcies da diaclase, no casode deslizamento. Essas foras so produzidas por dois sistemas independentes, instalados emadequada estrutura metlica rgida. Para a aplicao desta tcnica, as amostras possuem forma

prismtica, de maneira a garantir uma distribuio uniforme das foras normais e tangenciaisque lhes so transmitidas no ensaio. Nos casos em que as dimenses das amostras sosuficientes, so talhados provetes prismticos; nos casos em que so reduzidas as dimenses dasamostras (uma grande parte), as mesmas so encabeadas com argamassa de cimento. Estasoperaes so bastante trabalhosas e morosas e, no caso do encabeamento, antes do ensaio, hque aguardar o tempo suficiente para o endurecimento (da ordem de 7 dias).

Pelas razes expostas, reconheceu-se ser de grande importncia estudar um novo tipo deequipamento de ensaio que permitisse determinar as caractersticas de corte de rochas e ascaractersticas de deslizamento de diaclases, de forma mais expedita e sem os inconvenientesmencionados.

2. DESCRIO DO NOVO EQUIPAMENTO DE ENSAIO

A maior parte das amostras fornecidas para a determinao das caractersticas de corte derochas e para a determinao das caractersticas de deslizamento de diaclases tm a formacilndrica e so obtidas por meio de sondagem; as restantes amostras fornecidas para ensaio tmforma irregular (blocos). Desses blocos, bastante fcil e pouco moroso preparar, emlaboratrio, amostras cilndricas por meio de perfuradora rotativa.

O equipamento, de que objecto este trabalho, foi estudado no sentido de permitir o ensaio deamostras cilndricas de diferentes dimetros, segundo tcnica mais expedita do que a que

presentemente seguida. Para a aplicao desta tcnica, a preparao das amostras para ensaioresume-se ao corte dos seus topos, por meio de serra de disco diamantado. Esta nova tcnica de

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ensaio, para alm de reduzir, muito substancialmente, o tempo gasto em preparaes, simplificaas operaes do prprio ensaio, visto utilizar apenas um nico sistema de aplicao de foras.

O equipamento de ensaio constitudo por trs tipos diferentes de peas, construdas em aoduro e que so: peas que suportam os provetes cilndricos e lhes transmitem as foras deensaio, produzidas por uma prensa; peas que possibilitam a variao do ngulo entre a linha deaco da fora a transmitir e a superfcie a ensaiar; e peas que possibilitam a reduo dos raiosde curvatura das superfcies cilndricas que alojam o provete de ensaio.

2.1 Peas de suporte do provete e de transmisso das foras

Estas peas, com concavidades cilndricas, tm a dupla funo de alojar o provete, naquelasconcavidades e de lhe transmitir a fora aplicada no ensaio. Esta fora transmitida aos topos e

superfcie lateral do provete, e a sua linha de aco forma com a esperada superfcie de rotura,ou com as superfcies de deslizamento, um ngulo () previamente definido. Peladecomposio da fora, F, que provoca a rotura do provete, ou o deslizamento das superfciesopostas da diaclase, determina-se a fora normal, Fn, e a fora tangencial, Ft, actuantes nasuperfcie de rotura, ou na superfcie de deslizamento.

Para a determinao das caractersticas de corte de rocha, segundo planos diametrais dasamostras (planos longitudinais) e segundo planos transversais das mesmas [7], e, tambm, paraa determinao das caractersticas de deslizamento de diaclases contidas nas amostras, seja qualfor o valor do ngulo entre as suas superfcies e o eixo da amostra, o novo equipamento deensaios constitudo por dois tipos distintos de sistemas de transmisso das foras de ensaio(Fig. 1 e 2). Os sistemas do tipo esquematizado na figura 1 so utilizados nos ensaios paradeterminao das caractersticas de corte de rocha segundo planos longitudinais do provete; ossistemas do tipo esquematizado na figura 2, so utilizados nos ensaios para determinao dascaractersticas de corte de rocha segundo planos transversais do provete. Nos ensaios paradeterminao das caractersticas de deslizamento de diaclases, o tipo de sistema a utilizar serfuno do valor do ngulo entre o eixo da amostra e as superfcies da diaclase.

Figura 1 Esquema do sistema de ensaio de corte directo, por plano longitudinal

F

F

FtF

F Ft

F

Ft

F

Amostra

de rocha

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Figura 2 Esquema do sistema de ensaio de corte directo por plano transversal

Em qualquer dos sistemas, entre as duas peas de transmisso das foras de ensaio ao provete,existe uma zona livre em toda a extenso da esperada superfcie de rotura, ou das superfcies dedeslizamento, sendo da ordem de 6mm o afastamento relativo daquelas peas.

A base inferior de suporte do provete para o ensaio segundo plano transversal (Fig. 2) composta por duas partes, fixas por quatro parafusos. Por meio do aperto dos parafusos, obtm--se o ajuste das superfcies do provete s superfcies internas da base de suporte, eliminando-se,assim, eventuais momentos flectores.

2.2 Peas para variao angular

Como sugerido pela ISRM, quer para a determinao das caractersticas de corte de qualquertipo de rocha, quer para a determinao da resistncia ao deslizamento de qualquer diaclase, onmero mnimo de ensaios a realizar dever ser de cinco e os valores das tenses normais queactuam sobre as superfcies em estudo, na altura da rotura ou do deslizamento, devem serdiferentes de ensaio para ensaio [5]. Tal conseguido com dois sistemas de cada um dos tiposesquematizados nas figuras 1 e 2 (um com a inclinao de 15e o outro com 30) e por pares decunhas de ao duro, que se encaixam nas bases de qualquer daqueles sistemas. Estas cunhas deao possuem dois pernos que entram em furos existentes nos topos das peas de suporte do

provete, podendo ser instaladas no sentido de aumentar ou de reduzir o valor do ngulo .

O conjunto do equipamento anteriormente descrito, permite variar, de 0 a 45, o nguloformado pela linha de aco da fora de ensaio com a superfcie em estudo, sendo de 5 o valorde cada acrscimo, ou decrscimo, que pode ser introduzido naquele ngulo.

2.3 Peas de reduo de dimetro

As amostras de rocha obtidas por sondagem e que, com frequncia, so submetidas a ensaios decorte ou de deslizamento, tm dimetros da ordem de 52, 62, 72 e 82mm. Para que oequipamento que se vem descrevendo tenha aplicao prtica para o ensaio das amostras

Fn

F Ft

Amostra

de rocha

FnFt

FnFt

F

F

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usualmente fornecidas necessrio que o mesmo comporte provetes com aqueles diferentesdimetros.

A reduo dos raios de curvatura (41mm) das concavidades cilndricas das peas que alojam oprovete obtida por intermdio de meias canas de ao duro, com diferentes espessuras e raio decurvatura da parede exterior igual a 41mm. Introduzindo, nas referidas concavidades cilndricas,meias canas com raio de curvatura interno equivalente ao raio do provete a ensaiar, o sistematorna-se apto para o ensaio. Nos sistemas para ensaio de provetes segundo planos transversaisaos mesmos, so introduzidas duas meias canas em cada uma das peas de alojamento, e entreas meias canas deve existir uma folga da ordem de 2,5mm, para que as mesmas no absorvam

parte da fora de ensaio, assegurando-se, assim, que a mesma integralmente transmitida aoprovete.

Na figura 3 apresenta-se fotografia do ensaio, por plano longitudinal, de um provete de granitocom 62mm de dimetro e das diferentes peas do sistema de ensaio (cunhas e meias canasincludas), com o provete depois da rotura.

Figura 3 Fotografia do ensaio, por plano longitudinal, de um provete de 62mm de dimetro,antes e aps rotura.

3. ENSAIOS EFECTUADOS E RESULTADOS OBTIDOS

3.1 Ensaios de corte

Foram ensaiados ao corte sete conjuntos de provetes de diferentes rochas. Quatro dessesconjuntos de provetes foram ensaiados segundo planos longitudinais; os outros trs conjuntosforam ensaiados segundo planos transversais. Os provetes ensaiados eram constitudos por trstipos de rocha grantica, com estados de alterao muito diversos, e por rocha calcria, e tinhamdimetros de 52, 62 e 82mm. Dos trs tipos de rocha grantica ensaiada, um respeitava a granito

porfiride, levemente alterado (W1); outro respeitava a granito de gro mdio, medianamentealterado (W3/2); e o restante, respeitava a granito de gro grosseiro, muito alterado (W4).Quanto rocha calcria ensaiada, esta era formada por um calcrio margoso, sem indcios de

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alterao. Cada conjunto de rocha grantica foi constitudo por quatro provetes, e cada conjuntode rocha calcria foi constitudo por cinco provetes.

Os resultados obtidos nos ensaios de corte esto traduzidos no Quadro 1 e 2. O primeirodaqueles Quadros respeita aos ensaios segundo planos longitudinais dos provetes, o outro,respeita aos ensaios segundo planos transversais. Neles, para alm do tipo de rocha ensaiada, darea de corte dos provetes e do ngulo formado pela linha de aco da fora aplicada e asuperfcie de rotura, indicam-se os valores das foras que motivaram as roturas, os valores dastenses de corte (normais e tangenciais), os valores das caractersticas de corte (coeso e ngulode atrito) e, ainda, os coeficientes de correlao entre os valores obtidos para cada conjunto de

provetes e a recta mais provvel queles valores. Os valores definidores das caractersticas decorte [3], bem como os dos coeficientes de correlao, foram determinados por meio de ummtodo estatstico, mtodo dos mnimos quadrados.

Quadro 1 - Ensaios de corte segundo plano longitudinal dos provetes

Tenses (MPa)Caractersticas de

corteTipo derocha

Seco(cm2)

ngulo()

Fora derotura (kN) Normal,

Tang.,

c (MPa) ()

Coef. decorrelao

100 71,3 2,14 13,66150 91,3 4,60 17,16200 114,9 7,59 20,84

Granitolevementealterado

51,4

250 153,7 12,64 27,10

10,87 530 0,999

100 29,7 1,01 5,71150 70,7 3,57 13,34

20

0

84,6 5,65 15,33

Granitoc/mdia

alterao

51,2

250 161,1 13,30 28,52

5,34 600 0,991

100 6,6 0,17 0,94150 15,5 0,58 2,16200 26,9 1,33 3,64

Granitomuito

alterado69,4

250 42,9 2,61 5,60

0,91 620 0,992

50 10,7 0,20 2,32100 15,4 0,58 3,30150 19,3 1,09 4,06200 21,6 1,61 4,42

Calcriomargoso

45,9

250 33,1 3,05 6,54

2,30 540 0,991

()???ngulo entre a linha de aco da fora aplicada e a superfcie de corte

Na figura 4 representam-se, para um dos tipos de rocha ensaiada, os pontos de coordenadas (i,i) determinados nos ensaios de corte segundo planos longitudinais e planos transversais dos

provetes e traou-se, para cada caso, a recta de Coulomb mais provvel.

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Quadro 2 - Ensaios de corte segundo plano transversal dos provetesTenses (MPa)

Caractersticas decorteTipo de

rochaSeco(cm2)

ngulo()

Fora derotura (kN) Normal,

Tang.,

c (MPa) ()

Coef. decorrelao

100 44,0 2,57 14,59150 58,5 5,10 19,03200 77,6 8,94 24,55

Granitolevementealterado

29,7

250 98,7 14,04 30,12

11,79 530 0,995

100 24,6 1,46 8,30150 29,5 2,61 9,76200 38,1 4,46 12,26

Granitoc/ mdiaalterao

29,2

250 62,4 9,03 19,37

5,95 560 0,999

50 11,5 0,44 5,00100 14,6 1,11 6,28150 17,6 1,99 7,42200 27,8 4,15 11,41

Calcriomargoso

22,9

250 32,8 6,05 12,98

4,60 560 0,991

()???ngulo entre a linha de aco da fora aplicada e a superfcie de corte

Figura 4 Exemplos de diagramas tenses normais / tenses tangenciais, de ensaios segundoplanos longitudinais e planos transversais dos provetes.

Nas Fotos da figura 5 apresentam-se aspectos das superfcies de rotura de alguns dos provetesem que foi imposta a superfcie de corte por plano longitudinal e superfcies de rotura de algunsdos provetes em que foi imposta a superfcie de corte por plano transversal.

Plano longitudinalGranito levemente alterado

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0 2 4 6 8 10 12 14

TENSES NORMAIS, (MPa)

TENSESTANGENCIAIS

,(

MPa)

Plano transversal)Granito levemente alterado

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

0 2 4 6 8 10 12 14 16


TENSESTANGENCIAIS,

(

MPa)

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Figura 5 Aspectos das superfcies de corte de alguns dos provetes ensaiados segundo planoslongitudinais e segundo planos transversais.

3.2 Ensaios de deslizamento

Ao ensaio de deslizamento foram submetidas quatro amostras de rocha grantica que continhamdiaclases sem qualquer preenchimento, pertencentes a trs famlias diferentes de diaclasamento.Uma das famlias de diaclases era sub-vertical (V), outra inclinada (I), e a terceira sub-horizontal (H). As superfcies da diaclase pertencente famlia V eram levemente onduladas,denteadas, com rugosidade mdia e ligeiramente alteradas; as das duas diaclases pertencentes famlia I, eram onduladas, com rugosidade pouco acentuada e medianamente alteradas; as dadiaclase pertencente famlia H, eram levemente onduladas, muito rugosas e sem alteraoaparente [6].

A amostra que continha a diaclase pertencente famlia V foi submetida a cinco deslizamentos(fases do ensaio); as outras trs amostras foram submetidas a quatro deslizamentos. O valor dongulo () entre a linha de aco da fora aplicada e as superfcies em ensaio, foi sendoaumentado, de deslizamento para deslizamento, e por ordem crescente. Terminada cada fase doensaio, foram as superfcies da diaclase repostas na posio inicial, ou seja, na posio relativaque ocupavam no interior do macio.

Os resultados obtidos nos ensaios de deslizamento de diaclases esto traduzidos no Quadro 3.Neste Quadro, para alm da diaclase ensaiada, da rea de deslizamento e do ngulo formadopela linha de aco da fora aplicada e a superfcie de deslizamento, indicam-se os valoresmximos das foras registados nos deslizamentos, os valores das tenses de deslizamento(normais e tangenciais), os valores das caractersticas de deslizamento (coeso aparente engulo de atrito), e, ainda, os coeficientes de correlao entre os valores obtidos para cadadiaclase e a recta mais provvel queles valores. Os valores definidores das caractersticas dedeslizamento, e os dos coeficientes de correlao, foram determinados pelo mtodo mencionadonos ensaios de corte.

Na figura 6, representam-se, para uma das diaclases ensaiadas, os pontos de coordenadas (i ,i) determinadas nas diferentes fases do ensaio da diaclase e traou-se a recta de Coulomb mais

provvel.

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Quadro 3 - Ensaios de deslizamento de diaclasesTenses (MPa) Caractersticas

de desliz.Diaclase

Seco(cm2)

ngulo()

Fora dedesliz. (kN) Normal,

Tang. ,

c

(MPa) ()

Coef. decorrelao

250 0,282 0,03 0,06300 0,473 0,05 0,09350 0,600 0,08 0,11400 1,709 0,25 0,29

V 43,9

450 9,127 1,47 1,47

0,04 440 0,999

340 1,569 0,13 0,20390 3,540 0,34 0,41

440 13,002 1,36 1,41I (1) 66,5

490 38,842 4,41 3,83

0,15 400 0,999

350 1,418 0,13 0,18400 2,582 0,26 0,31450 14,026 1,58 1,58

I (2) 62,9

500 22,298 2,72 2,28

0,12 390 0,994

270 0,236 0,02 0,04320 0,491 0,04 0,07370 1,818 0,18 0,24

H 59,9

420 12,545 1,40 1,56

0,03 470 0,999

() ???ngulo entre a linha de aco da fora aplicada e as superfcies de deslizamento

Figura 6 Exemplo de diagrama tenses normais/tenses tangenciais, do ensaio dedeslizamento da diaclase I(1).

4. CONCLUSES

Os tempos gastos na realizao dos ensaios (incluindo as preparaes), os resultados obtidospara cada conjunto ensaiado, e o aspecto das superfcies de rotura dos provetes ensaiados aocorte, permitem concluir que o sistema de ensaio desenvolvido oferece vantagens relativamenteao processo convencional.

Diaclase I (1)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 1 2 3 4 5


TENSESTANGENCIAIS,

(MPa)

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O novo tipo de equipamento utilizado na realizao de ensaios para determinao dascaractersticas de corte de rochas e das caractersticas de deslizamento de diaclases, para almde ser de fcil aplicao, permite a obteno de resultados de forma bastante expedita.

As observaes efectuadas s superfcies de rotura dos provetes submetidos a ensaio de corte,mostraram que, ao invs do que por vezes se observa nos ensaios efectuados pelo mtodotradicional, essas superfcies no tero sido sujeitas a outras solicitaes que no fossem as dastenses de corte (tenses normais e tenses tangenciais), ou, se o foram, tais solicitaes notiveram qualquer magnitude significativa.

s valores (i , i) determinados nos ensaios de corte de cada grupo de provetes constitudospelo mesmo tipo de rocha, bem como os determinados nas diferentes fases de deslizamento aque foi sujeita cada diaclase, apresentam desvios pouco significativos relativamente correspondente recta mais provvel queles valores (recta de Coulomb), variando oscoeficientes de correlao entre 99,1% e 99,9%. Isto, comprova que so fiveis os resultadosobtidos nos ensaios efectuados com o novo tipo de equipamento.

Tambm a facilidade de reproduzir numerosas situaes de rotura ao corte de rochas, atravs decombinaes das vrias cunhas metlicas, torna este mtodo muito interessante para averiguaressa propriedade das rochas nas condies reais de cada projecto de engenharia. Em particulardestaca-se a rotura ao corte para tenses tangenciais, que essencial para caracterizar situaesa grandes profundidades.

REFERNCIAS

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Engineering for Foundations and Slopes, Proc. ASCE Speciality Conf. (Boulder, Colo, vol.2, pp. 172-192).

[2] Dight, P.M., and H. K. Chiu: (1981) Prediction of Shear Strength of Joints Using Profiles,Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 18, 369-386.

[3] Dinis da Gama, C. (1983) Interactive Graphics in the Back-Analysis of Slope Failures,Proc. 5thInt. Cong. Rock Mech., vol. C, pp. 53-60.

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[5] ISRM: Suggested Methods for Rock Characterization, Testing, and Monitoring; ISRMCommission on Testing Methods, E. T. Brown, Ed. (Pergamon, Oxford, 1981), 211 pp.

[6] McMahon, B. K.: Some Practical Considerations for the Estimation of Shear Strength ofJoints and Other Discontinuities, Proc. Int. Symp. Fundamentals of Rock Joints (BjrklidenSweden, 1985), pp. 475-485.

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