Propriedades Físicas Das Rochas

8/10/2019 Propriedades Físicas Das Rochas

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ESCOLA DE MINAS DA UFOPDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS

PROF. VALDIR COSTA E SILVAMIN 112 - OPERAÇÕES MINEIRAS

Novembro / 2012



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MACIÇO ROCHOSO A concepção de maciço rochoso confunde-se com a própria definição de

rocha enunciada por Mello Moraes: rocha é o material sólido da crosta.Nessa acepção, o maciço rochoso ou massa rochosa inclui, além do tipo

litológico, todas as suas descontinuidades, tais como: sistemas de diáclases,planos de acamamento, xistosidades e falhas.

MATERIAL ROCHOSO

Entende-se por material rochoso, o material constituinte dos blocos derocha, delimitados pelas descontinuidades do maciço rochoso.

Depreende-se daí, que o material rochoso inclui como propriedades físicase mecânicas a densidade, porosidade, coesão, dureza, resistência mecânica,módulo de elasticidade e forma de ruptura.

ROCHA INTACTA

Rocha intacta é a porção da massa rochosa, livre de descontinuidades,sobre a qual se verificam propriedades de resistência mecânica do materialrochoso.

ROCHA FRÁGIL

É aquela que apresenta ruptura frágil. Esta é definida a partir do ponto emque a capacidade de resistir às cargas diminui simultaneamente com aumentos dedeformação.

ROCHA DÚTIL

Um material é dito dútil quando ele pode apresentar deformaçõespermanente sem perder sua capacidade de resistência.

ROCHAS DURAS

São rochas que apresentam Resistência Uniaxial à Compressão de 100 – 250 MPa.

ROCHAS BRANDAS



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São rochas que apresentam Resistência Uniaxial à Compressão de 25 – 50MPa.

SOLO OU ALTERAÇÃO Quando a Resistência Uniaxial à Compressão do material é menor do que

1 MPa.

DESCONTINUIDADE

Segundo a Associação Internacional de Mecânica de Rochas (ISRM), é otermo geral para qualquer descontinuidade mecânica, em um maciço rochoso, queapresenta baixa ou nenhuma resistência à tração. Este é o termo coletivo para amaioria dos tipos de diáclases, juntas, planos de fraqueza do acamamento, planosde fraqueza da xistosidade, zonas de alteração ou de falhas.

A figura 1 ilustra estas definições através da representação físico-simbólica do efeito escala.

Figura 1 Variação na descrição do maciço rochoso com a escala

Fonte: Hoek & Brown (1980)

As estruturas dos maciços rochosos podem ser compreendidas, segundo Hoek &Brown (1992), como:



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Planos de acamamento: superfícies dividem as litologias sedimentares emcamadas (interrupção do processo de deposição). Caracterizam-se por serempersistentes e apresentarem, em muitos casos, resistência ao cisalhamentopuramente friccional.

Dobras: estruturas que apresentam mudanças das atitudes das camadas (eixo)causadas por esforços tectônicos epigenéticos. Juntas de tensão podem estarassociadas às dobras. A resistência mecânica dos plano de acamamento pode serreduzida a um valor residual.

Falhas: fraturas onde ocorrem deslocamentos cisalhantes. A abertura varia dealguns milímetros a metros, podendo ser preenchidas ou não por outros materiais.

Apresentam regiões de baixa resistência ao cisalhamento.

Juntas: as descontinuidades mais comuns e as mais significativas

geotecnicamente. As juntas podem ser abertas, preenchidas ou seladas. Sãonormalmente dispostas paralelamente aos planos de acamamento, foliação ouclivagem.

Zonas de cisalhamento: espessuras do maciço (até alguns metros) onde umprocesso prévio de cisalhamento já tenha ocorrido. Regiões fraturadas nas zonasde cisalhamento podem apresentar preenchimento de material de menorresistência ao cisalhamento.

Diques: intrusões extensas, normalmente de rochas ígneas, com espessurasque variam entre poucos centímetros a vários metros. Apresentam mergulhos

acentuados e superfícies aproximadamente paralelas. Processos de intemperismopodem gerar regiões de baixa resistência ao cisalhamento.

As descontinuidades possuem algumas propriedades como:

Orientação ou atitude da descontinuidade: compreende sua direção e o seumergulho. A orientação das descontinuidades relativa às escavações apresentauma influência direta na instabilidade potencial destas escavações, através daformação de blocos ou planos de escorregamento.

Espaçamento: distância perpendicular entre juntas adjacentes (normalmente de

mesma família).

Persistência: caracteriza a extensão ou tamanho de uma descontinuidade emdeterminado plano. Sua grande importância está ligada à sua influência naresistência ao cisalhamento. Rugosidade: medida da aspereza e da ondulação presente nas superfícies dasdescontinuidades. Possui uma influência direta na resistência ao cisalhamento,principalmente em descontinuidades fechadas não preenchidas.



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Abertura: refere-se à distância perpendicular entre duas superfícies de umadescontinuidade não preenchida. As aberturas podem ser resultado dodeslocamento cisalhante de descontinuidades com grandes rugosidades oucarreamento do material de preenchimento. As aberturas exercem uma grande

influência na resistência ao cisalhamento, porém, talvez, mais importante seja suainfluência na permeabilidade do maciço.

Preenchimento: termo utilizado para descrever o material contido nasdescontinuidades (calcita, clorita, argila, quartzo etc.). Esses materiais têm grandeimportância na resistência ao cisalhamento, normalmente reduzindo seu valor, anão ser em alguns casos de veios contendo quartzo, calcita etc.

Obser vação : Aspectos da geologia, tais como, fraturas, falhas, juntas, dobras,

planos de acamamento e outras descontinuidades, possuem grande influência naperfurabilidade das rochas. Esses aspectos afetam, geralmente a limpeza e odesvio dos furos. Em rochas fraturadas há uma grande tendência de escape defluido de limpeza do furo pelas fendas das rochas, reduzindo a taxa depenetração, e causando o aprisionamento das ferramentas de perfuração no furo.



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A grande diversidade de propriedades depende da origem e dos processos

geológicos transcorridos depois de sua formação, durante o tempo de suaexistência.As propriedades físicas das rochas caracterizam o estado físico intrínseco dasmesmas. Dentre as propriedades físicas tem-se: porosidade, densidade, textura,estrutura etc.

POROSIDADE: é a razão entre o volume interno do espaço aberto (poros,interstícios ou vazios) e o volume total da rocha, isto é:

sendo: Vp = volume dos poros; Vg = volume dos grãos.

A quantidade de água ou outro fluido armazenado em um determinado material(rocha, solo) depende de sua porosidade.

Obs.: a porosidade provoca os seguintes efeitos nos desmonte de rochas:

- atenuação da onda de choque;

- redução da resistência dinâmica à compressão e, consequentemente,incremento da trituração e percentagem de finos.

DENSIDADE DA ROCHA INTACTA (D): É a massa (M) por unidade de volume(V) da rocha, expressa em g/cm3, t/m3 etc., isto é:

Exemplos: Gnaisse: 2,9 t/m3

Granito: 2,7 t/m3

Quartzito: 2,6 t/m3

A densidade depende principalmente do peso específico de seus elementosconstituintes e de suas porosidades. Os fatores que exercem influência nadensidade das rochas são os seguintes: estado de alteração, porosidade e grau

)( VgVpVpPorosidade

V

MD



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de compactação. Para uma determinada rocha, por exemplo, o arenito, é possívelconstatar regiões onde a compactação foi mais intensa do que em outras. Nessescasos, apesar da igualdade de composição mineralógica e homogeneidade, tem-se uma variação espacial da densidade.

Obs.: - as rochas de baixa densidade se deformam e rompem com facilidade,requerendo um fator de energia relativamente baixo.- as rochas densas precisam de um maior quantidade de energia para

lograr uma fragmentação satisfatória.

TEXTURA: a textura de uma rocha compreende o seu grau de cristalinidade, otamanho e a forma dos grãos (granulação) e a orientação dos mesmos. Osaspectos de textura que afetam a resistência e perfurabilidade de uma rocha são:tamanho, orientação, forma de grãos e grau de interligação entre eles, além daporosidade da rocha.Uma rocha com granulação grosseira apresenta maior facilidade de perfuração emenor desgaste das ferramentas que uma rocha de granulação fina, mantendo-seconstante as outras variáveis.

COESÃO: Refere-se à força que une as partículas das rochas.Rochas Coerentes: gnaisses, granitos e basaltos (não decompostos).Rochas incoerentes: terra e areia.

As propriedades mecânicas da rocha são uma variedade das propriedadesfísicas. Manifestam-se sob a ação de forças mecânicas externas e são expressaspela capacidade das rochas de opor resistência à deformação e desagregação.Dentre elas, figuram a resistência mecânica, solidez, resistência dinâmica, dureza,elasticidade, plasticidade, fragilidade, abrasividade etc.

A investigação e o estudo das propriedades físicas e mecânicas das rochas sãonecessárias para a escavação, perfuração e desmonte por explosivo dos maciçosrochosos.

RESISTÊNCIA MECÂNICA DAS ROCHAS: É a propriedade da rocha opor-se àruptura quando submetida a ação de uma carga estática ou dinâmica. A tensão deruptura de uma rocha é o valor de tensão na qual a rocha ou o maciço rochosoinicia o processo de falência segundo mecanismos de cisalhamento, tração ecompressão.

A tabela 1 mostra que as rochas oferecem maior resistência à compressão. Oslimites de resistência ao cisalhamento e a tração da maioria das rochas constituemcerca de 10% e 5%, respectivamente, do limite de resistência à compressãouniaxial.

Tabela 1. Resistência relativa das rochas à deformação, segundo Vozdvízhenski.



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Rochas Compressão Uniaxial Tração Flexão CisalhamentoGranitos 1 0,02 –0,04 0,08 0,09

Arenitos 1 0,02 – 0,05 0,06 – 0,20 0,10 – 0,12Calcários 1 0,04 – 0,10 0,08 – 0,10 0,15Fonte: (Zacarias, 2003)

DUREZA: É a resistência oferecida pela rocha à penetração de uma ferramentamineira.

ELASTICIDADE: É a mudança de forma ou volume de uma rocha, quandosubmetida a forças externas, retornando, em seguida, às condições iniciais,quando retiradas as forças que causaram a deformação.

PLASTICIDADE: É a propriedade que tem a rocha de tomar qualquer forma,quando submetida a forças externas, e conservar esta forma, mesmo depois deremovida a causa da deformação.

MÓDULO DE YOUNG: é a relação entre a tensão () e a deformação () sofridapela rocha, isto é:

Sendo a deformação uma relação entre dimensões ou entre ângulos,entende-se que é uma quantidade adimensional.

O módulo de Young, também é conhecido como módulo de elasticidade;como nas rochas nem sempre se observa o comportamento elástico, tem sidouma tendência da designação Módu lo de Defo rm ação para esta propriedade.

COEFICIENTE DE POISSON: é a relação entre a deformação lateral (T) e adeformação longitudinal (L), sofrida pela rocha, isto é:

E

LL

L

T



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c = peso específico do material no corte;s = peso específico do material empolado ou solto;

onde:

Vc = volume originalmente no “corte” ou volume “in situ”; Vs = volume do material rochoso após a fragmentação.

EXEMPLO

Uma barragem de seção trapezoidal com bases de 8 e 15 m, foi construídacom material estéril de uma mina. O material transportado para a referidaconstrução totalizou 22.500 t.

Sabendo-se que:

- o empolamento entre o material da barragem e no corte é de 8%;- houve perdas de material somente no desmonte, e elas foram de

de 2%;- o peso específico do material no corte é de 2,2 t/m3 e no desmonte

é de 1,69 t/m3

; determinar:

a) o empolamento sofrido pelo material ao ser desmontado;b) o empolamento ou adensamento sofrido pelo material durante a construção

da barragem;c) o comprimento da barragem;d) o volume que foi retirado no corte para a construção da barragem.

e13 = 8%

e23?e12 ? p2 = 0 3 ?

1 = 2,2 t/m3 2 = 1,69 t/m3 8 m L

p1=2% 10 m 15 m

1. Corte 2. Desmontado 3. Barragem

c

s

cc s V x xV V



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Solução:

a) empolamento entre o material desmontado e no corte (e12):

e = (12 - 1) x 100%

e = (1,3018 - 1) x 100% e12 = 30,18%

b) empolamento ou adensamento entre o material desmontado e a barragem:

sendo:

como 23 < 1, houve adensamento, durante a construção da barragem.

Logo a23 = (1 - 23) x 100% a23 = 17,04%

c) comprimento da barragem (L)

Volume da barragem (VB)

3018,1/69,1

/2,2123

3

2

112

mt

mt

231213 x

1001;

1001;

1001 12

12

23

23

13

13

eee

8296,03018,1

08,123

12

1323

LVLxxLxhxbB

V BB 115102

)815(

2

)(



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onde: mB = massa do material utilizado na construção da barragem.

VB = 11.045,66 m3

Como VB = 115L, temos que:

L = 96 m

3

3

BB

B

B mV

V

m

13

1

323

2

3

ou

3

33 /037,28296,0

69,1mt

3/037,2

500.22:

mt

tVLogo B

2

3

115

66,045.11

115 m

mVL B

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