escavação em maciços rochosos: caracterização, modelagem e … · 2015. 12. 3. · milton...

8a. Palestra Milton Vargas da ABMS (2012)

Escavação em Maciços Rochosos: Caracterização, Modelagem e

Comportamento (Casos Históricos)

Prof. André Assis, PhD (UnB / ABMS / ITACET)

Milton Vargas

• Graduado em engenharia elétrica (1938) e civil (1942) pela USP

• Mestrado em Geotecnia por Harvard, EUA (1946)

• IPT de 1938 a 1952 (presidente)

• Professor (Emérito) da USP de 1952-1984

• Sócio fundador da Themag Engenharia e Gerenciamento (1960)

• 1º. Presidente da ABMS (1950-1952)

• Recebeu diversos prêmios e honrarias

Palestra Milton Vargas da ABMS

• Divulgar a Geotecnia e a ABMS nas diferentes regiões do país, de forma a promover o interesse e a participação de associados

• Ter um caráter prático, para plateias de jovens engenheiros, estudantes e pesquisadores, não necessariamente especialistas em Geotecnia

• Tema de abrangência nacional e considerar exemplos de grandes obras, novas tecnologias e aplicações geotécnicas

A ABMS

• Fundada em 1950 (62 anos)

• 1000 sócios individuais e 60 sócios coletivos

• 9 núcleos e 2 comitês (CBT e CBMR)

• 7 comissões técnicas

• Representa o Brasil em 3 associações internacionais (ISSMGE, ISRM e ITA)

• Organiza congressos e simpósios

• Edita as revistas Soils & Rocks e Geotecnia

• Atuação profissional, social e política

Sumário

• Introdução

• Caracterização e Modelamento de Maciços Rochosos

• Casos de Obras de Escavações a Céu Aberto e Obras Subterrâneas

• Considerações Finais

Mecânica das Rochas é uma disciplina de interface:

• Engenharia Civil (Geotecnia) - fundações

(edificações, barragens etc.), taludes naturais e

escavados, túneis e cavernas de armazenamento

(fluidos, rejeitos etc.);

• Engenharia de Minas - projeto estrutural de minas

a céu aberto (taludes) e subterrâneas (túneis, poços

e cavernas);

• Engenharia de Petróleo - estabilidade do furo e

armazenamento de óleo e gás natural;

• Geologia - hidrogeologia, cavernas naturais, zonas

de falhas e dobras, terremotos etc.

Introdução

Aplicações

Diretriz Geral para Solução de Problemas de Engenharia

• Caracterização e determinação de propriedades dos materiais

• Calcular as solicitações impostas pela estrutura e seu comportamento (geometria)

• Definir indicadores de comportamento e monitorar

• Analisar comportamento Tomar decisões

Métodos de Solução de Problemas de Engenharia

Métodos Empíricos

Métodos Analíticos (Solução Exata)

Métodos Numéricos

Caracterização e Determinação de Propriedades Geomecânicas

de Maciços Rochosos

• Comportamento de uma obra em rocha depende da escala relativa entre o tamanho da obra e o padrão de fraturamento do maciço rochoso

• Obtenção de

Parâmetros

– Direta

– Indireta

Metodologia Direta: Obtenção de Parâmetros por Ensaios

• Rocha Intacta

– Resistência

– Deformabilidade

– Permeabilidade

• Descontinuidades (+/-)

– Resistência

– Deformabilidade

– Mapeamento

Rocha Intacta

Mohr-Coulomb c e φ Hoek & Brown (1980) mi e σc

𝝈𝟏 = 𝝈𝟑 + 𝒎𝒊. 𝝈𝒄 . 𝝈𝟑 + 𝝈𝒄𝟐

Descontinuidades

Descontinuidades Seladas

(Efeito da Rugosidade)

Barton & Choubey (1978)

JRC = coeficiente de rugosidade da descontinuidade JCS = sc das paredes da descontinuidade

fb = ângulo de atrito básico

+

=

b

n

JCS JRC f

s s t .log tan

t

s

t

i

sn

Descontinuidades Planas ou Preenchidas

Descontinuidade Equação de Mohr-

Coulomb Observações

Plana e lisa t=s tgfr Neste caso a equação de Barton & Choubey converge para a de Mohr-Coulomb

Parcialmente preenchida t=s tgf

Neste caso tgφ é assumida igual a razão entre os parâmetros Jr e Ja da classificação de Barton et al., 1974 (tg φ= Jr / Ja)

Preenchimento dominante t= cp + s tgfp

Os parâmetros de resistência ao cisalhamento dominantes são os do preenchimento

Pds

Eep

Pp

Parâmetros Geomecânicos

Rocha Intacta

Metodologia

Direta

Descontinuidades

Metodologia

Direta (+/-)

Maciço Rochoso

Efeito Escala

???

Solução de Engenharia Empírica por meio de Classificação Geomecânica

Métodos Racionais

Classificação

Geomecânica

Monitoramento de

Comportamento

???

Soluções de

Projeto

Sistemas mais utilizados:

Sistema RMR (Bieniawski, 1973,

1976 e 1989);

Sistema Q (Barton et al., 1974;

Gristad & Barton, 1993).

SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO

GEOMECÂNICA

Seis parâmetros de classificação:

Resistência uniaxial da rocha intacta;

Índice RQD;

Espaçamento das descontinuidades;

Padrão das descontinuidades;

Ação da água subterrânea;

Orientação das descontinuidades.

SISTEMA RMR

(Bieniawski, 1989)

1000)..( 61 == PPRMR

C DETERMINAÇÃO DAS CLASSES DO MACIÇO ROCHOSO EM FUNÇÃO DO PESO

TOTAL

Peso 100 81 80 61 60 41 40 21 <21

Número da classe I II III IV V

Descrição Excelente Bom Regular Ruim Péssimo

D COMPORTAMENTO DO MACIÇO ROCHOSO POR CLASSE

Número da classe I II III IV V

Tempo médio de

auto-sustentação /

tamanho do vão

20 anos /

15 m

1 ano / 10

m

1 semana

/5 m

10 h / 2,5 m 30 min /1

m

Coesão do maciço

rochoso (kPa)

>400 300-400 200-300 100-200 <100

Ângulo de atrito do

maciço (o)

>45 35-45 25-35 15-25 <15

Classes Geomecânicas RMR e Estimativa de Parâmetros de Comportamento

índice de influência da

alteração das paredes da

descontinuidade

índice

RQD

índice de

influência

do número

de famílias

índice de

influência da

ação da água

subterrânea

índice de

influência

das tensões

no maciço

índice de influência da

rugosidade das paredes da

descontinuidade

SISTEMA Q (Barton et al., 1974)

1000001,0 =

=

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ

O sistema de suporte necessário depende do tipo de estrutura e por isso definiu-se sua Dimensão Equivalente:

ESR

(m) excavação Dimensão D e =

A dimensão equivalente junto com o índice

Q do maciço rochoso são as entradas de um

gráfico de seleção do tipo e quantidade de

suporte para escavações subterrâneas.

SISTEMA Q (Dimensão Equivalente)

SISTEMA Q (Gristad & Barton, 1993)

Índice Q

Dim

en

são

Eq

uiv

. (m

)

Vantagens e Limitações dos Sistemas de Classificação Geomecânica

• Solução rápida do problema de engenharia

• Fácil acompanhamento e ajustes de campo

• Dependente da experiência do classificador

• Não permitem avaliar indicadores de comportamento tais como fator de segurança e campo de deslocamentos

Parâmetros Geomecânicos

Rocha Intacta

Metodologia

Direta

Descontinuidades

Metodologia

Direta (+/-)

Maciço Rochoso

Metodologia

Indireta

Vantagens de obter parâmetros:

Avaliação de segurança

Avaliação de comportamento

Análise de risco

Classificação

Geomecânica

Monitoramento

do

Comportamento

Obtenção de

Parâmetros

???

?

Solução de

Projeto

Metodologia Indireta de Obtenção de Parâmetros

• Obter propriedades de rocha intacta (ensaios)

• Utilizar classificação geomecânica como índice de decaimento de propriedades do MR

• Metodologia GSI

Pmr

DFmr GSI=100

GSI=80

GSI=60 GSI=40 GSI=20

σ1

σ3

GSI (1994; 2002) = 0 a 100 - Baseado nas classificações RMR’ e Q’

- Avaliação numérica do GSI - Usar tabelas com características do maciço rochoso

Efeito do Intemperismo em Maciços Rochosos

σ1

σ3

σci

σcii

σc = 𝟐𝒄.𝒄𝒐𝒔∅

𝟏−𝒔𝒆𝒏∅

mi ; a = 1/2

mii < mi ; a > 1/2

m = 𝟏+𝒔𝒆𝒏∅

𝟏−𝒔𝒆𝒏∅ ; a = 1

Critérios de resistência para cada tipo de material rochoso

Material Rochoso Critério de Resistência Obtenção de Parâmetros

Rocha Intacta Mohr-Coulomb Direta (ensaios de cisalhamento

direto ou triaxiais) Hoek & Brown

Descontinuidade

Contato parede/parede Barton & Choubey Semi-direta (ensaios simples)

Parcialmente preenchida

Mohr-Coulomb

Indireta (parâmetros Jr e Ja da classificação de Barton et al., 1974)

Preenchimento dominante Mohr-Coulomb

Direta (ensaios de cisalhamento no material do preenchimento)

Maciço Rochoso

Mohr-Coulomb Indireta (parâmetros por meio de classificação geomecânica e do GSI)

Hoek & Brown

Projeto e Análise de Comportamento

• Meio Anisotrópico

–Descontinuidades

• Meio Isotrópico

–Rocha Intacta

–Maciço Rochoso

Análises por

Equlíbrio Limite

Análise

Deformação

(Simulações

Numéricas)

Análise por Equilíbrio Limite

Modos de Ruptura

• Modo de ruptura depende do grau de fraturamento e da orientação espacial relativa entre a estrutura e as descontinuidades

• Escorregamento 2D: ruptura plana de bloco simples e blocos múltiplos, circular, ruptura de pé

• Escorregamento 3D: cunhas

• Outros modos: tombamento, quedas de blocos e flambagem

Ruptura Circular no MR (GSI)

Ruptura Plana pela descontinuidade

Modelamento de Comportamento

Meios

CHILE

Meios

DIANE

Métodos Analíticos

Geometria simples

Meios homogêneos e isotrópicos

Comportamento linear

Métodos Numéricos

Elementos de Contorno

Elementos Finitos

Elementos Distintos

FLAC (Version 3.30)

LEGEND

4/28/1999 19:44

step 11821

-5.000E+00 <x< 5.000E+01

-2.000E+02 <y< -1.400E+02

H-B Strength/Stress Ratios 0.00E+00 5.00E-01 1.00E+00 1.50E+00 2.00E+00 2.50E+00 3.00E+00Contour interval= 2.50E-01ucs= 1.40E+07 m= 9.5 s=1.00Plasticity Indicator X elastic, at yield in past

JOB TITLE : ANÁLISE COM MÓDULO CONSTANTE DA ESCAVAÇÃO A 160 m PARA ko = 4

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

GEOTECNIA .000 1.000 2.000 3.000 4.000

(*10**1)

-1.950

-1.850

-1.750

-1.650

-1.550

-1.450

(*10**2)

Modelamento do Maciço Rochoso Fraturado

PREDICTION OF

MECHANICAL BEHAVIOUR

NATURAL

ROCK MASS ROCK MASS

MODEL

(DEM)

Site

data

MODELLING OF EFFECTIVE

BLOCK INTERACTIONS

Effective

block

Input

parameters

Equivalent

Continuum

modelling

PREDOMINANT

STRUCTURE

(Oliveira, D., 2010)

Caso A: Modelamento

do Maciço Rochoso de

um talude de mina

Durand (1995) Cavalcante(1997)

Lauro (2001)

Abordagem Probabilística para o Modelamento 3D do Maciço Rochoso

)...,( 21 nxxxfy =

• Mergulho

• Direção do

Mergulho

• Persistência

• Espaçamento

Modelo probabilístico(distribuição não uniforme)

densidade baixadensidade alta

Modelo determinístico(distribuição uniforme)

regiões com igual densidade

G - 11

G - 12

G - 13

Galeria transversal

G - 11

G - 12

G - 13

101,2

100

100

12

Caso B: Módulo Dependente do Estado de Tensões

e

s

e

s

e

s

Lionço (1999) 3

B – C = Ec

B = E

s

E

3AeCBE

s=

(Santarelli & Brown, 1989)

FLAC (Version 3.30)

LEGEND

4/19/1999 15:28

step 4400

-5.000E+00 <x< 6.000E+01

-5.000E+00 <y< 6.000E+01

EX_ 1 Contours

0.00E+00

2.00E+09

4.00E+09

6.00E+09

8.00E+09

1.00E+10

1.20E+10

1.40E+10

1.60E+10

1.80E+10

Contour interval= 1.00E+09

Minimum principal stress

Contour interval= 2.50E+06

Minimum: -2.25E+07

Maximum: 0.00E+00

JOB TITLE : ABERTURA CIRCULAR COM O MÓDULO DEPENDENTE DA TENSÃO PRINCIPAL MENOR (ko = 1)

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

GEOTECNIA .000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

(*10**1)

.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

(*10**1)

FLAC (Version 3.30)

LEGEND

4/19/1999 16:17

step 4400

-5.000E+00 <x< 6.000E+01

-5.000E+00 <y< 6.000E+01

EX_ 1 Contours

0.00E+00

3.00E+09

6.00E+09

9.00E+09

1.20E+10

1.50E+10

1.80E+10

2.10E+10

Contour interval= 1.00E+09

Minimum principal stress

Contour interval= 5.00E+06

Minimum: -2.50E+07

Maximum: 0.00E+00

JOB TITLE : ABERTURA CIRCULAR COM O MÓDULO DEPENDENTE DA TENSÃO PRINCIPAL MENOR (ko = 2)

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

GEOTECNIA

.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

(*10**1)

.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000(*10**1)

k0 = 1 (E = 2,8 to 21,4 GPa) k0 = 2

Distribuição de Módulos para um estado

de tensões anisotrópico (1000 m)

FLAC (Version 3.30)

LEGEND

4/28/1999 15:14

step 4400

-5.000E+00 <x< 7.000E+01

-5.000E+00 <y< 7.000E+01

H-B Strength/Stress Ratios

5.00E-01

1.00E+00

1.50E+00

2.00E+00

2.50E+00

3.00E+00

3.50E+00

Contour interval= 2.50E-01

ucs= 1.40E+07 m= 9.5 s=1.00

Plasticity Indicator

* at yield in shear or vol.

X elastic, at yield in past

.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

(*10**1)

.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000

(*10**1)

JOB TITLE : ABERTURA CIRCULAR COM E DEPENDENTE DE S3 - Santarelli (lei potencial)

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

GEOTECNIA

FLAC (Version 3.30)

LEGEND

4/28/1999 15:15

step 4000

-5.000E+00 <x< 7.000E+01

-5.000E+00 <y< 7.000E+01

H-B Strength/Stress Ratios

5.00E-01

1.00E+00

1.50E+00

2.00E+00

2.50E+00

3.00E+00

3.50E+00

Contour interval= 2.50E-01

ucs= 1.40E+07 m= 9.5 s=1.00

Plasticity Indicator

* at yield in shear or vol.

X elastic, at yield in past

.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

(*10**1)

.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000

(*10**1)

JOB TITLE : ABERTURA CIRCULAR COM E DEPENDENTE DE S3 - Santarelli (lei potencial)

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

GEOTECNIA

LE S&B

Zonas de Ruptura para Ko = 2

Caso C: Tensões In-Situ

Caverna da Casa de Máquinas

Tensões In-Situ

• Ensaio Triaxial tipo ko

• Ensaios de Campo

– Reposição de Tensões (macaco plano e pressiômetro)

– Relaxação de Tensões (overcoring)

– Fraturamento Hidráulico

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5ko

Pro

fu

nd

id

ad

e z

(m

)

Autrália

Estados Unidos

Canada

Escandinávia

África do Sul

1500k 0,5

z=+

100k 0, 3

z=+

Tensões In-Situ (HFT)

0 2 4 6 8

10

12

14

16

18

0

40

60

80

100

120

140

160

180

200

De

pth

(m)

ko

Ko m

in

Ko m

ax

SIG 1 = 13.0 + 0.029 z SIG 2 = 7.2 + 0.017 z SIG 3 (z) = 0.0261 z z ... depth (m) SIG ... principal stress (MPa)

Resultados dos Ensaios de Tensões In-Situ

• SIG 1 = SIG Hmax 16.3 15.9

• SIG 2 = SIG Hmin 9.1 8.7

• SIG 3 = SIG z 3.0 4.3

• Stress Invariant I1 28.4 28.9

• ko min 3.1 2.0

• ko max 5.5 3.7

HF SFJ

Considerações Finais

• Aumento expressivo da demanda de obras em rocha no Brasil, as quais demandam engenharia de precisão

• Embora complexos os maciços rochosos podem ser caracterizados e modelados, no entanto não existe uma forma unívoca

• Classificações geomecânicas, embora simples e flexíveis de serem utilizadas em campo, tendem a perder espaço para métodos racionais de projeto

• Ainda é tempo de comparar soluções empíricas com soluções de projeto calculadas, como forma de calibração

• Monitorar, interpretar e retroanalisar.

Agradecimentos:

ABMS UnB Boart Longyear Incotep Embre Seel Contato: aassis.p@gmail.com