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INTRODUINTRODUÇÇÃO ÃO ÀÀ MECÂNICA DAS ROCHASMECÂNICA DAS ROCHASLicenciatura em Geologia Aplicada e do Ambiente Licenciatura em Geologia Aplicada e do Ambiente -- 2005/20062005/2006

Fernando M. S. F. Marques *Fernando M. S. F. Marques *

* Departamento de Geologia, Faculdade de Ciências de Lisboa* Departamento de Geologia, Faculdade de Ciências de Lisboa

INTRODUINTRODUÇÇÃO ÃO ÀÀ MECÂNICA DAS ROCHASMECÂNICA DAS ROCHAS

DEFINIDEFINIÇÇÕES PRÕES PRÉÉVIAS:VIAS:

-- SOLO SOLO –– Material natural Material natural desagregdesagregáávelvel por imersão em por imersão em ááguagua

-- ROCHA ROCHA -- Material natural não Material natural não desagregdesagregáávelvel por imersão em por imersão em ááguagua

(Conceito substancialmente diferente do considerado na (Conceito substancialmente diferente do considerado na Geologia)Geologia)

-- Descontinuidades Descontinuidades –– interrupinterrupçções do contões do contíínuo de uma dada rocha, sem nuo de uma dada rocha, sem

implicaimplicaçções genões genééticas: podem ser fracturas resultantes de esforticas: podem ser fracturas resultantes de esforçços tectos tectóónicos em nicos em

compressão, corte (compressão, corte (cisalhamentocisalhamento), trac), tracçção, fracturas de descompressão, juntas ão, fracturas de descompressão, juntas

de estratificade estratificaçção, planos de xistosidade ou de clivagem ão, planos de xistosidade ou de clivagem xistentaxistenta, que impliquem, que impliquem

quebra das propriedades mecânicas dos blocos de rocha adjacenquebra das propriedades mecânicas dos blocos de rocha adjacentes.tes.

-- CompartimentaCompartimentaçção ão -- Divisão do contDivisão do contíínuo rochoso de um macinuo rochoso de um maciçço por o por

descontinuidades.descontinuidades.

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Mecânica das RochasMecânica das Rochas

Trata a resposta das rochas e dos maciTrata a resposta das rochas e dos maciçços rochosos os rochosos àà aplicaaplicaçção de perturbaão de perturbaççõesões

No caso das perturbaNo caso das perturbaçções naturaisões naturais, a Mecânica das Rochas , a Mecânica das Rochas éé aplicada aplicada àà deformadeformaçção das ão das rochas, no contexto da Geologia Estrutural:rochas, no contexto da Geologia Estrutural:

--Estudo de Falhas, dobras e fracturas, causadas por tensões geradEstudo de Falhas, dobras e fracturas, causadas por tensões geradas por movimentos as por movimentos orogorogéénicos e outros processos geolnicos e outros processos geolóógicos (gicos (subsidênciasubsidência; ; diagdiagéénesenese; ; riftingrifting; descompressão por ; descompressão por exumaexumaçção).ão).

No caso das perturbaNo caso das perturbaçções causadas pelo homemões causadas pelo homem, a Mecânica das Rochas , a Mecânica das Rochas éé aplicada para aplicada para prever o comportamento dos maciprever o comportamento dos maciçços face os face ààs solicitas solicitaçções que lhe vão ser impostas, por:ões que lhe vão ser impostas, por:

--EscavaEscavaçções a cões a cééu aberto u aberto -- taludes em obras lineares; minas a ctaludes em obras lineares; minas a cééu aberto; taludes de barragens e u aberto; taludes de barragens e albufeiras (encontros; margens)albufeiras (encontros; margens)

--EscavaEscavaçções e obras subterrâneas ões e obras subterrâneas -- actividade mineira; tactividade mineira; túúneis rodovineis rodoviáários e ferrovirios e ferroviáários; rios; cavidades subterrâneas para armazenamento (combustcavidades subterrâneas para armazenamento (combustííveis; resveis; resííduos); duos); óórgãos subterrâneos de rgãos subterrâneos de barragens (galerias de desvio; centrais hidroelbarragens (galerias de desvio; centrais hidroelééctricas); centrais nucleares; instalactricas); centrais nucleares; instalaçções militares;ões militares;

Ou, no contexto da Geologia de Engenharia:Ou, no contexto da Geologia de Engenharia:

--ÀÀ ananáálise da estabilidade de vertentes para estudos de perigosidade, lise da estabilidade de vertentes para estudos de perigosidade, ou previsão de impactes ou previsão de impactes sobre obras: Resposta dos macisobre obras: Resposta dos maciçços aos agentes da geodinâmica externa (chuvas; inundaos aos agentes da geodinâmica externa (chuvas; inundaçções; ões; posiposiçção do não do níível vel piezompiezoméétricotrico das das ááguas subterrâneas; impactos de ondas; erosão de sopguas subterrâneas; impactos de ondas; erosão de sopéé) e ) e ààdegradadegradaçção da resistência dos macião da resistência dos maciçços (fluência; cedência progressiva; erosão interna; os (fluência; cedência progressiva; erosão interna; dissoludissoluçção; ão; meteorizameteorizaççãoão))

100m

Algarve: Praia de Porto de MAlgarve: Praia de Porto de Móós (1993)s (1993)CretCretáácico inferior cico inferior –– AptianoAptianoMargasMargas e calce calcáários de Porto de Mrios de Porto de Móóss

- Alternância de camadas com grande contraste de resistência – calcários margosos e margas- Relaxação de tensões por exumação- Margas desagregam-se com os ciclos de secagem-molhagem- Cedência das margas aproveita fracturas pré-existentes nas camadas de calcário- Erosão marinha de sopé remove detritos e contribui para aumento do declive

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SamouqueiraSamouqueira, , RogilRogil (Aljezur)(Aljezur)CarbCarbóónico, nico, NamurianoNamuriano mméédiodio--VestefalianoVestefaliano inferiorinferiorFormaFormaçção da Brejeiraão da Brejeira

- Alternância de camadas com grande contraste de resistência – grauvaques existos argilosos- Relaxação de tensões por exumação- Xistos desagregam-se com os ciclos

de secagem-molhagem- Cedência dos xistos aproveita fracturas

pré-existentes nas camadas de grauvaque-Erosão marinha de sopé remove detritos

e contribui para aumento do declive

So

SamouqueiraSamouqueira, , RogilRogil (Aljezur)(Aljezur)

- Fluência lenta dos xistos (relaxação de tensões existentes no interior do maciço por exumação – remoção do confinamento lateral da escarpa pela evolução natural da arriba) e basculamento em direcção ao exterior do talude (tombamento ou “toppling”).- Abertura de fendas de tracção junto ao topo da escarpa aproveitando descontinuidades pré-existentes:

Fracturas e juntas de estratificação

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Barragem do FunchoBarragem do Funcho(Silves)(Silves)CarbCarbóónico, nico, NamurianoNamuriano mméédiodio--

--VestefalianoVestefaliano inferiorinferiorFormaFormaçção da Brejeiraão da Brejeira

Instabilidades (desabamentos) no acesso à barragem.Notar a inclinação natural das vertentes, que sugere um perfil transversal de equilíbrio natural.

Barragem de Odeleite Barragem de Odeleite -- CarbCarbóónico, nico, ViseanoViseano -- FormaFormaçção da Mão da Méértolartola

So

Vista da vertente instável, com deslizamento planar ao longo das superfícies de estratificação. Esta instabilidade motivou extensas obras de estabilização ao longo da encosta (pregagens) e a construção de muro de suporte em betão armado com espessura da ordem de 6m, para assegura a estabilidade da central de bombagem que abastece de água o Algarve ocidental.

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OrientaOrientaçção das escavaão das escavaçções subterrâneas em relaões subterrâneas em relaçção a uma falha (plano a vermelho) em arenitos. ão a uma falha (plano a vermelho) em arenitos. Central subterrânea e sala dos transformadores do projecto Central subterrânea e sala dos transformadores do projecto MingtanMingtan (Formosa) (Segundo (Formosa) (Segundo HoekHoek, 2000), 2000)

Problemas: identificação, análise e representação tridimensional de zonas de baixa resistência (camadas, falhas, filões alterados) e da compartimentação do maciço rochoso.

Instabilidades controladas pela compartimentaInstabilidades controladas pela compartimentaçção do macião do maciçço (o (HoekHoek, 2000), 2000)-- OrientaOrientaçção e espaão e espaççamento de descontinuidades (fracturas e/ou juntas de estratificaamento de descontinuidades (fracturas e/ou juntas de estratificaçção)ão)

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Projecto de Rio Grande, ArgentinaProjecto de Rio Grande, Argentina

EscavaEscavaçção dos não dos nííveis inferiores da caverna veis inferiores da caverna da central, com largura de 25mda central, com largura de 25m((HoekHoek, 2000), 2000)

Cunhas de rocha definidas no maciCunhas de rocha definidas no maciçço rochoso envolvente da caverna da central de Rio Grandeo rochoso envolvente da caverna da central de Rio Grande

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Resultado de uma rotura explosiva (Resultado de uma rotura explosiva (““rockburstrockburst””) numa mina em rochas com ) numa mina em rochas com comportamento frcomportamento fráágil, sujeita a tensões gil, sujeita a tensões inin situsitu muito elevadas (Segundo muito elevadas (Segundo HoekHoek, 2000), 2000)

FracturaFracturaççãoão em discos de uma amostra de sondagem, causada pela relaxaem discos de uma amostra de sondagem, causada pela relaxaçção de ão de tensões tensões ““inin situsitu”” muito elevadas (muito elevadas (HoekHoek, 2000), 2000)

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Perfil deformado

Perfil vertical de um modelo tridimensional de elementos finitos da deformaçãoe rotura do maciço em torno da escavação. As setas indicam vectores dedeslocamento e a deformada da escavação.

ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHAS BRANDAS

ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHAS BRANDAS

Deslocamento radial atingevalor máximo a cerca de 1,5xo diâmetro da frente do túnel

Deslocamento radial atinge1/3 do valor final na frente do túnel

Deformação da frentedo túnel

Avanço do túnel

Deslocamento radial inicia-separa além da frente do túnel, a cerca de 0,5x o diâmetro

Padrão de deformação de um túnel em escavação

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PROBLEMAS FUNDAMENTAIS EM MECÂNICA DAS ROCHAS

- Contraste de comportamento mecânico entre o material rocha e os maciços rochosos:- Papel fundamental das descontinuidades -

- Presença de zonas de baixa resistência no maciço

- Alteração/degradação rápida de alguns tipos litológicos

- Tensões existentes nos maciços e sua relaxação

DomDomíínios de aplicanios de aplicaçção da Mecânica das Rochasão da Mecânica das Rochas

-- AnAnáálise da estabilidade de vertentes (naturais): determinalise da estabilidade de vertentes (naturais): determinaçção da perigosidade (ão da perigosidade (hazardhazard) em estudos de risco, ) em estudos de risco, incluindo risco sincluindo risco síísmico; ansmico; anáálise e projecto de medidas de prevenlise e projecto de medidas de prevençção contra quedas de blocosão contra quedas de blocos

-- AnAnáálise da estabilidade de taludes (artificiais): projecto de escavlise da estabilidade de taludes (artificiais): projecto de escavaaçção e selecão e selecçção de mão de méétodos mais adequados todos mais adequados (seguros e econ(seguros e econóómicos) de escavamicos) de escavaçção; dimensionamento de suportes provisão; dimensionamento de suportes provisóórios e/ou definitivosrios e/ou definitivos

-- FundaFundaçções em maciões em maciçços rochosos (pontes, viadutos, edifos rochosos (pontes, viadutos, edifíícios de grande altura): caracterizacios de grande altura): caracterizaçção dos macião dos maciçços e os e dimensionamento de medidas contra o escorregamento de blocosdimensionamento de medidas contra o escorregamento de blocos

-- Barragens (de aterro, Barragens (de aterro, enrocamentoenrocamento, gravidade e arco), , gravidade e arco), óórgãos e estruturas associadas (rgãos e estruturas associadas (ensecadeirasensecadeiras, t, túúneis de neis de desvio, condutas fordesvio, condutas forççadas, centrais hidroeladas, centrais hidroelééctricas subterrâneas) ctricas subterrâneas) –– Problemas de selecProblemas de selecçção de são de síítios, fundatios, fundaçções, ões, estabilidade e sustentaestabilidade e sustentaçção de escavaão de escavaçções, estabilidade das margens da albufeira, impermeabilizaões, estabilidade das margens da albufeira, impermeabilizaçção do macião do maciççoo

-- TTúúneis (rodovineis (rodoviáários e ferrovirios e ferroviáários): escolha de trarios): escolha de traççado (localizaado (localizaçção e orientaão e orientaçção), dimensionamento da forma e ão), dimensionamento da forma e vãos, mvãos, méétodos de perfuratodos de perfuraçção e sustentaão e sustentaççãoão

-- Cavidades subterrâneas para instalaCavidades subterrâneas para instalaçções industriais ões industriais –– selecselecçção de são de síítios, projecto e selectios, projecto e selecçção de mão de méétodos de todos de escavaescavaçção, anão, anáálise de estabilidade e dimensionamento das cavidades e sua sustelise de estabilidade e dimensionamento das cavidades e sua sustentantaççãoão

-- Cavidades subterrâneas para armazenamento de resCavidades subterrâneas para armazenamento de resííduos ( em especial de centrais nucleares) duos ( em especial de centrais nucleares) –– selecselecçção de ão de ssíítios, projecto e selectios, projecto e selecçção de mão de méétodos de escavatodos de escavaçção, anão, anáálise de estabilidade e dimensionamento das cavidades, lise de estabilidade e dimensionamento das cavidades, problemas de dissipaproblemas de dissipaçção de calor e estabilidade a longo prazo, circulaão de calor e estabilidade a longo prazo, circulaçção de ão de áágua e permeabilidade do macigua e permeabilidade do maciççoo

ÁÁreas afins reas afins àà Mecânica das RochasMecânica das Rochas

-- Geologia EstruturalGeologia Estrutural-- Mecânica dos SolosMecânica dos Solos-- Geologia de EngenhariaGeologia de Engenharia-- GeofGeofíísicasica-- Engenharia CivilEngenharia Civil-- Engenharia de MinasEngenharia de Minas

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ORIGEM E EVOLUORIGEM E EVOLUÇÇÃO DA MECÂNICA DAS ROCHASÃO DA MECÂNICA DAS ROCHAS

- O estudo da Mecânica das Rochas iniciou-se nos anos 50, com fundamentosessencialmente físicos

(impulsionado pela construção de grandes aproveitamentos hidroeléctricos e pelo desenvolvimento da exploração mineira a grandes profundidades)

- Autonomizou-se como disciplina científica nos anos 60

- Em 1963 foi fundada a Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM)

- Anos 60: ênfase nos estudos sobre o material rocha

- Anos 70: predomínio dos estudos sobre descontinuidades e caracterização demaciços rochosos

- Anos 80: Análise numérica

- Anos 90: propriedades dos materiais, ensaios em escala real, popularização dosmeios informáticos, melhoria da aplicação dos princípios aos casos de obra

ORIGEM E EVOLUORIGEM E EVOLUÇÇÃO DA MECÂNICA DAS ROCHASÃO DA MECÂNICA DAS ROCHAS

ESTUDOS PRECURSORES

1776 - Coulomb

1884 - Canal do Panamá (1908 - USACE)

1936 - Karl Terzaghi

1920 - 1958 - Josef Stini

1921 - Griffith (teoria de rotura de materiais)

1931 - Bucky (centrífuga para estudo de roturas em minas)

DISCIPLINAS ENVOLVIDAS

- Mecânica dos meios contínuos

- Fotoelasticidade

- Geologia estrutural