cap 3-mr 12-13

Capítulo 3 – INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS

ISEL - CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 2012 / 2013 1

OBRAS SUBTERRÂNEAS

CAPÍTULO 3INTRODUÇÃO

À MECÂNICA DAS ROCHAS

ISEL- Instituto Superior de Engenharia de LisboaISEL- Instituto Superior de Engenharia de Lisboa





ISEL- Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Frederico MelâneoFrederico Melâneo



OBRAS SUBTERRÂNEAS

3.1 INTRODUÇÃO3.1 INTRODUÇÃO

INDICEINDICE

3.2 MACIÇO ROCHOSO3.2 MACIÇO ROCHOSO

3.3 PROPRIEDADES DO MACIÇO ROCHOSO3.3 PROPRIEDADES DO MACIÇO ROCHOSO

3.7 BIBLIOGRAFIA3.7 BIBLIOGRAFIA

3.4 PROPRIEDADES DAS DESCONTINUIDADES3.4 PROPRIEDADES DAS DESCONTINUIDADES

3.5 MACIÇO ROCHOSO E CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS3.5 MACIÇO ROCHOSO E CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS

3.6 APLICAÇÕES AOS TÚNEIS3.6 APLICAÇÕES AOS TÚNEIS



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3.1.1 O que é a Mecânica das Rochas

3.1 Introdução

3.1.2 Para que serve?3.1.3 Especificidade3.1.4 História e evolução3.1.5 Origem das rochas3.1.6 Textura das rochas e resistência3.1.7 Descontinuidades das rochas



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Objectivos:

- Ser capaz de analisar e determinar as propriedades mecânicas das rochas para as aplicações em engenharia civil.

- Compreender o comportamento mecânico das rochas e das descontinuidades dos maciços rochosos;

Disciplina que recorre aos princípios da mecânica para descrever o comportamento das rochas.

3.1 INTRODUÇÃO3.1.1 O que é a Mecânica das Rochas?



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- avaliação de riscos decorrentes da perda estabilidade natural dos taludes.

- estudo das falhas, dobras e fracturas originadas por tensões geradas nos movimentos orogénicos ou outros processos geológicos;

a) No estudo das perturbações naturais

b) No estudo das perturbações causadas pelo homem:

- prever o comportamento dos maciços rochosos face às solicitações que lhe são impostas por:

- escavações a céu aberto: taludes e fundações;

- escavações subterrâneas: túneis e cavernas.

Acidente por deslizamento de terras (rochas) sobre uma via de comunicação

3.1.2 Para que serve?



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Barragem de Malpasset, acidente por rotura da fundação rochosa da barragem (França, 1959)


Prevenir acidentes por rotura da fundação de uma barragem através das descontinuidades do maciço



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Projecto de caverna para detector de partículas - Canada (Ontário)

Projecto de caverna para detector de partículas - Canada (Ontário)

Prever o comportamento dos taludes e das escavações subterrâneas.


Projecto do Rio Grande (Argentina) Escavação dos níveis inferiores da caverna

da central, com a largura de 25m (Hoek,2000)

Projecto do Rio Grande (Argentina) Escavação dos níveis inferiores da caverna

da central, com a largura de 25m (Hoek,2000)



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O que torna a Mecânica das Rochas específica?

A Mecânica das Rochas estuda o comportamento das rochas quando as condições limite são modificadas pela engenharia.

Para a engenharia a rocha apresenta:

-descontinuidade;

-heterogeneidade;

- anisotropia;

-não linearidade elástica.

A abertura de um talude ou a escavação de um túnel, modifica o estado de tensão e de deformação existente no maciço.

A Mecânica das Rochas fornece os meios para interpretar esses estados, antes e após a perturbação (abertura de um talude ou escavação de um túnel).

3.1.3 Especificidade



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O estudo da MR é iniciado nos anos 50, impulsionada pelos grandes aproveitamentos hidroeléctricos;

Autonomizou-se nos anos 60, como disciplina;

Em 1963 foi fundada da Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (International Society of Rock Mechanics - ISRM);

Recorre aos conceitos da:

Tem afinidade com as seguintes Unidades Curriculares do ISEL:

Mineralogia e Geologia, Geologia de Engenharia, Mecânica dos Solos e Fundações

3.1.4 Historia e evolução

-Mecânica dos Meios Contínuos;

-Fotoelasticidade-Geologia Estrutural

-Mecânica dos Solos;



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São compostas por minerais, principalmente por silicatos, sendo os mais importantes:

os feldspatos, o quartzo, a olivina, as piroxenas, as anfíbolas, as granadas e a mica;

Os minerais tem diferentes propriedades: estrutura cristalina, dureza, clivagem, que influenciam as propriedades da rocha.

A formação depende de 3 origens:

Substância sólida composta por minerais.

3.1.5 Origem das rochas

- ígneas ou magmáticas;

- sedimentares;

- metamórficas.

Quartzo no granito

Cristal de quartzo bem desenvolvido

Nas rochas, os cristais são frequentemente maciços, granulares ou compactos e unicamente visíveis ao microscópio.



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Rochas ígneasSão formadas quando o magma arrefece e solidifica, com ou sem cristalização.Podem ser formadas:

As rochas intrusivas exibem grão grosseiro e as extrusivas grão fino, podendo ser formadas por diversos tipos de minerais.

Rochas sedimentaresSão formadas de três modos principais:

- por deposição de resíduos devido à alteração das outras rochas - rochas clásticas;

- por deposição resultante de uma actividade biológica;- por precipitação de uma solução.

3.1.5 Origem das rochas

Amostra de Diorito

Rochas metamórficas

As rochas metamórficas podem ter uma estrutura foliada ou não, em que a foliação é devida à reorientação dos cristais de mica, criando plano de clivagem.

- em profundidade: = intrusivas ou plutónicas (granito);

- à superfície: = extrusivas ou vulcânicas (basalto).

Amostra de Gneisse

É uma rocha que resulta duma rocha existente por metamorfismo - transformações devidas ao calor e à pressão;



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As duas formas principais são: clásticas e imbricadas.

Estrutura imbricada do granito.

Estrutura clástica do grés.

3.1.6 Textura das rochas e resistênciaAs rochas sedimentares, ígneas e metamórficas exibem diferentes texturas devido às suas origens.

A resistência da rocha é uma resistência estrutural da composição dos minerais, regida pela:

- resistência dos minerais;

As microestruturas imbricadas das rochas ígneas e metamórficas conferem, geralmente, a um material rochoso alta resistência;

As microestruturas das rochas sedimentares conferem, frequentemente, ao material rochoso baixa resistência, particularmente quando a cimentação é fraca.

Toda a fraqueza existente numa matriz de material rochoso (micro-fissuras, poros, grãos fracos e cimentação) enfraquecem, também, o material rochoso.

- pela ligação entre eles.



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- interrupções da massa contínua de uma dada rocha.

As descontinuidades são originadas por:

- é a divisão do maciço rochoso por descontinuidades.

A descontinuidade está associada a planos/superfícies de fraqueza do maciço rochoso.

As descontinuidades são:

- esforços tectónicos de compressão, corte e tracção;

O que é a compartimentação:

3.1.7 Descontinuidades das rochas

- descompressão;

- estratificação

- a xistosidade.

Imagens retiradas de [2]



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Imagem retirada de [2]

Aspecto das descontinuidades3.1.7 Descontinuidades das rochas



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Descontinuidades


Aspecto das descontinuidades no maciço rochoso

Principais descontinuidades:- juntas ou diaclases

- falhas

- estratificação

- xistosidade



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- são as principais descontinuidades das rochas;

- são normalmente dispostas em sistemas paralelos;

- são elementos do maciço rochoso;

- o espaçamento é normalmente de alguns cm podendo alcançar dezenas de cms;

- para a engenharia são elementos constantes dos maciços rochosos.

Juntas ou diaclases



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- possuem diferentes escalas, em que as maiores estão na fronteira das placas tectónicas;

- as falhas de grande escala, zona de falha e corte, são grandes e com influência localizada, sendo tratadas diferentemente do maciço rochoso.

Falhas3.1.7 Descontinuidades das rochas

- são fracturas planas que coloca a evidência de um movimento relativo;

- não são uma fractura simples, mas formam zonas de falha;



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- são interface entre as camadas da rocha sedimentar;

- são uma influência geológica isolada das actividades mecânicas;

Planos de estratificação

- cria uma interface de dois materiais rochosos;

- podem originar zonas de potencial alteração e bolsadas de água subterrânea.



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3.2.1 Rocha e maciço rochoso

3.2 Maciço rochoso

3.2.2 Tensões “in situ”3.2.3 Água subterrânea3.2.4 Rochas alteradas3.2.5 Rochas fracturadas3.2.6 Rochas brandas e solos duros3.2.7 Rochas expansivas



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- para trabalhos de engenharia civil – fundações, deslizamentos de terrenos e túneis, a escala dos projectos situa-se entre algumas dezenas e as centenas de metros;

A rocha à escala do engenheiro;

- a rocha em engenharia é uma massa "in situ", que se designa maciço rochoso, sendo formado pela:

= pela rocha intacta;

= pelas descontinuidades (diaclases, falhas, etc.).

Rocha intacta

Maciço rochoso

3.2 MACIÇO ROCHOSO3.2.1 Rocha e maciço rochoso



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furo

túnel

caverna

efeito de escala3.2.1 Rocha e maciço rochoso



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Um maciço rochoso contém:

- material rochoso sob a forma de blocos de rocha intacta e de dimensões variadas;

- descontinuidades que cortam o maciço sob a forma de fracturas (juntas, falhas, planos de estratificação).

maciço rochoso = matriz rochosa + descontinuidades

RochaDescontinuidades

Descontinuidades




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Rocha e maciço rochoso de ponto de vista mecânico

Se fosse possível ensaiar o maciço como uma amostra, obteríamos as curvas representadas.




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- cortam a rocha em placas, blocos e cunhas;

- comportam-se como planos de fraqueza para deslizamentos;

- facilita o escoamento da água e cria redes de escoamento;

- potencia grandes deformações;

- modifica a distribuição e a orientação das tensões.

O comportamento de um maciço rochoso é largamente regido pela presença das descontinuidades.

Cunha e deslizamento

Blocos separados por juntas

Papel das juntas no comportamento do maciço rochoso

Água através das juntas




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HeterogeneidadeHeterogeneidade - representa uma propriedade que varia segundo as zonas.

As rochas são formadas na natureza e apresentam heterogeneidade por:

- diferentes minerais na sua constituição;

- diferentes ligações entre minerais;

- existência poros;

- existência de microfissuras.


A heterogeneidade é a causa do início da fissuração conduzindo à rotura da matriz rochosa;

Se certos elementos da matriz rochosa são fracos, começam a romper mais cedo e conduzem frequentemente a uma redução da resistência total da rocha.

A heterogeneidade dos maciços rochosos é, principalmente, devida à existência de descontinuidades;

Os maciços rochosos podem, também, ser heterogéneos em virtude da mistura de vários tipos de rochas, da interestratificação e das intrusões.



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AnisotropiaAnisotropia é definida como uma propriedade diferente segundo a direcção considerada.

Anisotropia observa-se tanto nas rochas como nos maciços rochosos.

A ardósia é uma rocha fortemente anisotrópica.

Os filitos, os xistos metamórficos e os argilitossedimentares apresentam, também, grau elevado de anisotropia.

A anisotropia dos maciços rochosos é controlada pelas:

- juntas- camadas sedimentares




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Tensão vertical de cobertura

Com a profundidade, a tensão vertical é, em geral, dada pelo peso dos materiais.

O peso especifico médio das rochas é de 27 kN/m3, podendo em, profundidade, o valor da tensão vertical ser estimado por:

σσσσv (MPa) ≈ 0,027 * Z (m)

([5] - Brady, B. H., Brown, E. T.)

3.2.2 Tensões “in situ”

As principais aplicações das tensões naturais em engenharia são o estudo das obras subterrâneas, onde a sua estabilidade depende da magnitude e orientação das tensões.

Medições efectuadas “in situ” mostram que a tensão vertical é aproximadamente igual a 0,027 * Z (peso do terreno de cobertura), pelo que é usual utilizar a expressão dada para estimar o seu valor.



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Tensão horizontalAs tensões horizontais nos maciços rochosos são principalmente de origem tectónica.

As tensões horizontais nas rochas são, geralmente, superiores às tensões verticais.

A tensão horizontal máxima tem a mesma direcção que o movimento de convergência das placas tectónicas.

As tensões tectónicas variam fortemente de intensidade e podem ser excepcionalmente fortes.




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Direcções do campo de tensões horizontais de origem tectónica na Península Ibérica.

As tensões horizontais podem estimar-se através de:

Ko = −−−−−−−−−−−−−−−−νννν

1 - νννν

σσσσh = Ko σσσσvcom

nas seguintes condições:

- Rochas sedimentares pouco deformadas em ausência de falhas e dobras;

- Rochas de origem evaporítico, bioclástico e vulcânico;

- Rochas brandas, margas, argilas, exceptuando zonas com afundamentos, fluência, etc).



Direcção dos esforços tectónicos principais na Península Ibérica [8]

ν ν ν ν – Coeficiente de Poisson



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Na rocha a tensão horizontal é normalmente a tensão principal, então a tensão vertical ou a outra horizontal representam as tensões principais menores.

A tensão vertical pode ser estimada a partir da cobertura.

σσσσH > σσσσh > σσσσv ou σσσσH > σσσσv > σσσσh

As tensões horizontais não deverão ser estimadas.

Se necessário, as direcções e as intensidades, deverão ser obtidas por medidas "in situ".

A tensão de compressão vertical origina esforços laterais (horizontais) que tendem a expandir a rocha.

Em materiais elásticos a expansão é dada pela relação:

Com: εεεεH – deformação transversal (horizontal);

εεεεv – deformação vertical.

νννν = -------εεεεH

εεεεv(Coef. de Poisson)




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- topografia da superfície

- intrusões

- falhas Superfície

- erosão

Superfície plana

Em montanha (talude)Imagem retirada de [8]


O campo de tensões “in situ” pode ser modificado pela:

Efeito do relevo na orientação das tensões “in situ”



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Exemplo da variação do campo tensional produzida pela erosão

As tensões iniciais serão:σσσσvo = γγγγ Zo

σσσσHo = Ko σσσσvo = Ko γγγγ Zo

os novos valores das tensões:

σσσσv = γγγγ Zo – γγγγ ∆∆∆∆Z

σσσσH = Ko γγγγ Zo – γγγγ ∆∆∆∆Z [νννν/(1-νννν)]

Em que o valor de Ko para Z = Zo – ∆∆∆∆Z será:

K(z) = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−σσσσH

σσσσv= −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Ko γγγγ Zo – γγγγ ∆∆∆∆Z [νννν/(1-νννν)]

γγγγ Zo – γγγγ ∆∆∆∆Z= Ko + [(Ko – −−−−−−−−−−−−−−−−) ∆∆∆∆z] −−−−−−−−−−−−−−−−

νννν

1-νννν1

ZSegundo [8]

Para materiais de comportamento elástico, tem-se:


Ko = −−−−−−−−−−−−−−−−νννν

1 - νννν



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A relação entre a tensão horizontal média:

Às profundidades usuais na engenharia civil (< 500 m), as variações da tensão horizontal são grandes, atingindo-se valores superiores a 1.

σσσσhmed = (σσσσH + σσσσh)/2

e a tensão vertical (σσσσv) varia de 0,5 a 3 ;

σσσσhmed / σσσσv = ko

[5]

0,5 ≤≤≤≤ ko ≤≤≤≤ 3


Em materiais elásticos Ko = 1/3 (≈0,3) e para profundidades importantes ocorrem condições para estados hidrostáticos com Ko = 1.



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Variação das tensões horizontais função da profundidade e valores limites de Ko em função da profundidade.




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Tensão efectiva

Nas rochas porosas, p/ex., o grés, a tensão efectiva deve ser calculada como a tensão total - a pressão nos poros;

Nos maciços rochosos fissurados, a distribuição da água não é a mesma e os campos de tensão não são mais uniformes.

Água nos poros

O princípio da tensão efectiva não é aplicável.

Água no interior de um túnel durante a escavação




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A escavação de um túnel produz um aumento de tensão no local da abertura e verifica-se uma atenuação à medida que a distância ao centro do túnel aumenta.

A atenuação é dada pela tendência que o campo de tensões apresenta no sentido do valor uniforme da tensão existente.


Túnel

σσσσv → uniforme

∞

x

z

x

Modificação do campo de tensões verticais produzida pela abertura de um túnel.



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As rochas ígneas e metamórficas são muito densas e de textura imbricada, pelo que possuem uma fraca permeabilidade e porosidade.

Certas rochas clásticas sedimentares, tipicamente o grés, podem ser porosas e permeáveis.

Escoamento nas rochas.

As fissuras dos maciços são caminhos de escoamento e este é regido pela abertura.

O escoamento é influenciado pela conectividade do sistema ou rede de fissuras, podendo o maciço ser muito fissurado e só uma pequena percentagem das fissuras estão interconectadas.

Verifica-se, frequentemente, que algumas fissuras apresentam escoamento de água, enquanto outras se encontram secas.

3.2.3 Água subterrânea

Escoamento através de juntas de estratificação



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Efeito da água subterrânea nos maciços é de grande importância por:

- contribuir para a modificação do campo de tensões;

- modificar os parâmetros da rocha, por ex., o atrito;

- a sua presença aumentar a complexidade da execução dos trabalhos em rocha, por ex., é mais difícil escavar um túnel com infiltrações de água sob forte pressão.

3.2.3 Água subterrânea



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Todas as rochas se desagregam lentamente devido a:

- alteração mecânica: destruição da rocha em partículas sem modificar a composição química dos minerais;

- alteração química: destruição da rocha por reacção química, principalmente por ar e água.

- a erosão é progressiva.

- entre o material são e o material totalmente alterado - decomposto (solos) a rocha poderá apresentar-se pouco, medianamente ou muito alterada;

- as rochas alteradas são ainda intactas e possuem a estrutura e textura de rocha;

- a alteração reduz as propriedades mecânicas que serão afectadas e alteradas;

- a alteração reduz a resistência da rocha.

No fenómeno da erosão verifica-se que:

3.2.4 Rochas alteradas



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Estados de alteração - graus (segundo ISRM):

3.2.4 Rochas alteradas



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- as suas características são diferentes das apresentadas pelas rochas massivas;

- comportam-se como materiais granulares ou sob a forma de blocos cujas propriedades mecânicas dependem da sua geometria e atrito;

- quando são encontradas em construção deverão ser consideradas separadamente.

3.2.5 Rochas fracturadas



OBRAS SUBTERRÂNEAS

Estados de fracturação - graus (segundo ISRM):

3.2.5 Rochas fracturadas



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- Rochas sedimentares são formadas de sedimentos (solos) que atravessaram um longo processo de compactação e cimentação;

- O processo poderá ter sido interrompido antes que os sedimentos estejam completamente solidificados;

- Os materiais poderiam ter sido fortemente compactados, mas não solidificados;

- Tipicamente, estes materiais possuem uma forte resistência e uma deformabilidade elevada e, em contacto com a água, podem ser dissociados;

- Uma vez secos, comportam-se como uma rocha branda e, em água, desfazem-se.

3.2.6 Rochas brandas e solos duros



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- certas rochas têm propriedades de se expandir quando expostas à acção da água (directamente em contacto com a água ou ao ar livre);

- o comportamento é devido aos minerais que contém, minerais montmorilonite;

3.2.7 Rochas expansivas



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3.3.1 Tensões, deformações e deslocamentos

3.3 Propriedades do maciço rochoso

3.3.2 Resistência e deformação

3.3.3 Propriedades físicas e mecânicas



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Tensões

A tensão é uma propriedade pontual – é um tensor.

Existem tensões normais e de corte.

Num cubo elementar, são 9 as componentes da tensão:

3 tensões normais: σσσσxx σσσσyy σσσσzz

6 tensões de corte: ττττxy ττττyx ττττxz ττττzx ττττyz ττττzy

O tensor é expresso por uma matriz;

As tensões de corte correspondentes são iguais, sendo a matriz simétrica:

ττττxy = ττττyx ; ττττxz = ττττzx ; ττττyz = ττττzy

3.3 PROPRIEDADES DO MACIÇO ROCHOSO3.3.1 Tensões, deformações e deslocamentos



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Há uma orientação para os eixos segundo os quais não há tensões de corte. As tensões normais são chamadas tensões principais;

σσσσ1 = tensão principal máxima (maior)

σσσσ2 = tensão principal intermédia

σσσσ3 = tensão principal mínima (menor)

As deformações são deslocamentos unitários provocados pelas tensões.

Em fase elástica as tensões e as deformações relacionam-se pelo módulo de Young – E (módulo de deformabilidade).

ε ε ε ε = δδδδx / l E = dσσσσx / dεεεεx




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Deformações na direcção das tensões, originam sempre deformações nas outras direcções;

Essas deformações estão ligadas através do coeficiente de Poisson:

νννν = εεεεx /εεεεy νννν = εεεεz /εεεεx

Tensões e deformações estão ligadas por leis constitutivas, em que:

E = módulo de Young (módulo de deformabilidade);

νννν = coeficiente de Poisson;

G = módulo de corte ou de distorção.




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Nos estados planos de deformação, as tensões e as deformações poderão ser representadas por círculos de Mohr.

Tensões no plano ab, determinadas pelo circulo de Mohr.

Tensões principais




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Resistência

A resistência à compressão uniaxial é definida como a tensão de rotura de um provete cilíndrico submetido a carregamento axial.

Este ensaio permite, também, determinar as deformações axiais e radiais.

Ensaio de compressão simples (uniaxial)




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I as microfissuras da rocha fecham-se;

II apresenta linearidade elástica entre a tensão e a deformação axial e radial;

III comportamento quase linear, sendo a curva quase linear e reversível;

IV rápida aceleração de microfissuração e aumento de volume;

V a rocha ultrapassa a tensão de pico, mas permanece intacta com a estrutura interna perturbada. Ocorre a rotura;

VI a rocha rompe-se em diversos blocos.

Na curva representativa de um ensaio de compressão uniaxial, observa-se:

extensão na rotura

resistência de pico




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Na realidade, a rocha em profundidade encontra-se submetida a um estado de tensões axial e radiais – estado de tensão triaxial.

O comportamento da rocha em compressão triaxial altera-se com a pressão de confinamento:

- a resistência máxima aumenta;

- o comportamento após o pico passa gradualmente de frágil a dúctil;

- o domínio elástico é o mesmo que em compressão uniaxial.

A resistência à compressão é mais elevada em condições triaxiais.




OBRAS SUBTERRÂNEAS

Aspecto da rotura de uma amostra de rocha em ensaio triaxial

Equipamento utilizado no ensaio triaxial

Ensaio triaxial




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Módulo de deformabilidade (de Young) e coeficiente de Poisson

- podem ser determinados experimentalmente a partir da curva tensão - deformação;

- não são afectados pela tensão de confinamento;

As rochas de alta resistência tendem a exibir um grande módulo de deformabilidade, dependendo do tipo de rocha.

A maioria das rochas exibe um coeficiente de Poisson que se situa entre 0,15 e 0,4.




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Resistência à tracção

As rochas, em geral, exibem fraca resistência à tracção, devido às microfissuras preexistentes.

A resistência à tracção das rochas pode ser obtida através de vários ensaios, sendo o mais conhecido o ensaio brasileiro (tracção indirecta).

disco de rocha submetido diametralmente a carga de compressão até à rotura, sendo a tensão de rotura obtida por:

σσσσt = 2 P / (ππππ DL)

DL

P

Aspecto dos provetes usados no ensaio brasileiro




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A rocha resiste ao corte através de dois mecanismos internos – coesão e atrito interno:

- a coesão é a medida das ligações internas da rocha;

A resistência ao corte da rocha pode ser determinada por ensaio de corte directo e por ensaios de compressão triaxial.

Determinação da resistência ao corte por ensaio triaxial

Resistência ao corte

- o atrito interno resulta do contacto entre as partículas,




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São parâmetros importantes, porque a rocha rompe por tensões de tracção e de corte, mesmo que o carregamento seja de compressão.

As rochas tem uma resistência à compressão muito elevada, sendo a rotura por compressão pura rara.

Teoricamente, as três resistência encontram-se ligadas.

Resistência à compressão, ao corte e à tracção.




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D

2D

P

o ensaio de resistência pontual dá o índice de resistência pontual Is ;

a correlação entre a resistência pontual Is(50) e a da compressão e à tracção são:

σσσσc ≈≈≈≈ 22 Is(50) (o factor pode variar de 10 a 30)

σσσσt ≈≈≈≈ 1,25 Is(50)

Is(50) deverá ser utilizado como um índice de resistência independente.

Is(50) = F Is

Is = P / D2 ; F = (D / 50) 0,45

(em que F traduz a correcção do efeito de escala para provetes cilíndricos com 50 mm de diâmetro)

Índice de resistência pontual




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Densidade, porosidade e teor em água

Propriedades "standard" como na Mecânica dos Solos

densidade = massa do sólido / volume do sólido

porosidade = volume dos vazios / volume do sólido

teor em água = volume de água / volume do sólido

A densidade seca da rocha situa-se entre 25 e 28 kN/m3. A forte densidade corresponde fraca porosidade.

A porosidade é fraca para as rochas cristalinas (granito é <5%) e pode ser forte para as rochas sedimentares clásticas (grés pode ir até 50%). A porosidade afecta a permeabilidade.

O teor em água depende do grau de saturação. Rocha húmida tende a apresentar resistência ligeiramente mais fraca.




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Dureza, abrasividade, permeabilidade e velocidade de propagação

Dureza – propriedade de resistir a uma deformação permanente.

Na rocha depende da composição mineral e da densidade.

Abrasividade – mede a abrasão da rocha relativamente a outros materiais, p/ex., o aço. É fortemente influenciada pela presença do quartzo na rocha –maior teor em quartzo maior abrasividade.

Permeabilidade – capacidade de um material transmitir fluidos.

Obtida pela lei de Darcy.

Nas rochas é controlada pela porosidade que é baixa. Nos maciços rochosos o escoamento concentra-se nas fissuras.




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Velocidade de propagação – são utilizadas as ondas longitudinais (P) e as de corte (S). As ondas P são as mais rápidas e utilizadas.

A velocidade é proporcional à compacidade da rocha; rocha bem compacta apresenta uma velocidade elevada.

A velocidade das ondas P nas rochas ígneas é de 5000-7000 m/s;para os xistos argilosos, grés e conglomerados é de 3000-5000 m/s.

É utilizada para estimar os módulos da rocha:

- modulo deformabilidade: Es = ρρρρ vp2 (GPa) (ρρρρ - g/cm3; vp – km/s)

- modulo distorsão: Gs = ρρρρ vs2 (GPa) (ρρρρ - g/cm3; vs – km/s)

- coeficiente de Poisson: ννννs = [1 - 2 (vs / vp)2 ] / { 2 [(1- (vs / vp)2 ] }




OBRAS SUBTERRÂNEAS

3.4.1 Propriedades geométricas

3.4 Propriedades das descontinuidades

3.4.2 Principais características geométricas

3.4.3 Propriedades mecânicas e hidraulicas3.4.4 Tensões e deformações3.4.5 Factores que afectam as propriedades das juntas



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Propriedades geométricas das descontinuidades

Os tipos de descontinuidades rochosas são:

Fissuras - distribuídas aleatoriamente;

Falhas - a pequena escala;

Estratificação - a pequena e grande escala;

Criam interfaces a pequena e grande escala.

As juntas e as fissuras encontram-se frequentemente ligadas.

Uma junta individualizada é considerada uma fissura.

Juntas (ou diaclases) - as mais comuns, normalmente, por famílias;

3.4 PROPRIEDADES DAS DESCONTINUIDADES3.4.1 Propriedades geométricas



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3.4.1 Propriedades geométricas

- número de famílias de juntas;

- persistência da junta;

- atitude (orientação e inclinação);

- afastamento e frequência das juntas, dimensão dos blocos elementares e RQD;

- rugosidade da superfície da junta e imbricação;

- abertura da junta e preenchimento.



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Número de famílias de juntas

- juntas são dispostas em famílias, p/ex., juntas paralelas;

- uma família de juntas decompõe o maciço rochoso em placas;

- três famílias decompõem o maciço rochoso em blocos de forma variada e em cunhas.

1 família

3 famílias

- o número de famílias de juntas pode chegar a 5;

- duas famílias perpendiculares decompõem o maciço rochoso em colunas;




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Persistência da junta

- extensão espacial ou o comprimento (desenvolvimento) da descontinuidade.

- pode ser medida quando se observam os traços das descontinuidades nos afloramentos superficiais.

- controla a rotura dos taludes por deslizamento, rotura em "escada".

Descrição (ISRM) Extensão do traço (m)

Persistência muito fraca <1

Persistência fraca 1-3

Persistência média 3 -10

Persistência elevada 10 -20

Persistência muito elevada > 20




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Atitude de uma junta

É composta por dois parâmetros:

- orientação;

- inclinação ou pendente.

A orientação das famílias de juntas controla a possibilidade de condições instáveis ou de deformações excessivas.

A orientação conjunta das juntas controla a forma dos blocos.

A atitude das juntas controla o modo de rotura.




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Bússola de geólogo para medição da orientação e da inclinação

Bússola de geólogo para medição da orientação e da inclinação

- a inclinação e a direcçãosão perpendiculares;

- notação simbólica da descontinuidade com a atitude de orientação 140º e inclinação de 15º será:

Nmag.: N140º/15ºSW ou 140º/15ºSW

Ngeog: N50ºW/15ºSW ou N50ºW/15ºNE

Notar que a uma dada orientação, definida por uma recta de nível (traço do plano da descontinuidade no plano horizontal) poderão estar associadas várias inclinações (todos os planos que passam por essa recta), e que a uma inclinação dada, existem dois planos nessas condições, pelo que será necessário especificar qual o plano (descontinuidade) que está a ser caracterizado, definindo-se, então, o quadrante para o qual mergulha o vector representativo da inclinação.




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- o grau de fracturação de um maciço rochoso é controlado pelo número de juntas;

- o afastamento entre juntas controla a dimensão dos blocos;

- controla, também, o modo de rotura e o tipo de escorregamento;

- um afastamento reduzido entre juntas confere fraca coesão ao maciço e consequentemente, a hipótese para escorregamentos circulares.


Espaçamento das juntas

afastamento realafastamento segundo o plano

- distância entre juntas medida na perpendicular;

- para uma família de juntas é expresso pelo afastamento médio;

- o afastamento varia segundo as diferentes faces e direcção da medida.



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RQD (Rock Quality Designation)

É definido como a percentagem de "carottes" de rocha com um comprimento igual ou superior a 10 cm sobre o comprimento total da sondagem.

Índice proposto por Deere (1964) para descrever a qualidade da rocha, determinado sobre as amostras obtidas.


Descreve, somente, a fracturação e não as outras propriedades, como a alteração das juntas, a água subterrânea e a resistência da rocha.



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Rugosidade da superfície da junta (diaclase)

- uma junta é uma interface entre duas superfícies em contacto, que podem ser lisas e em perfeito contacto e imbricadas ou em mau contacto e não imbricadas;

- a condição de contacto rege a abertura da interface, que pode ser preenchidacom materiais de intrusão ou de alteração;

- é uma medida das irregularidades e das ondulações da superfície da junta;

- é caracterizada por ondulações a grande escala e por irregularidades a pequena escala;

- é o factor principal que rege a resistência ao corte e, em consequência, a estabilidade dos blocos susceptíveis de deslizar.


- a rugosidade da junta está ligada a uma escala geométrica.



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1 ensaio ao corte em laboratório

2 ensaio ao corte "in situ"


- segundo ISRM, a rugosidade deverá ser, primeiro, descrita à escala métrica – escada, ondulação, plana, e só depois à escala de cms– rugosa, aplanada, lisa;

Determinação de JRC(Joint Roughness Coeficient)

- esta descrição não é uma medida quantitativa;

- o coeficiente de rugosidade (JRC) é uma medida quantitativa da rugosidade, que varia de:

0 superfície lisa;20 superfície muito rugosa.

- a rugosidade das juntas têm características em 3D;

- o coeficiente JRC é obtido através da comparação directa do perfil da superfície real com o perfil tipo do diagrama.



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Abertura e preenchimento das juntas

Numa junta é raro que as duas superfícies estejam em contacto perfeito, existindo um espaço entre elas – abertura;

A abertura poderá estar preenchida de ar ou água (junta aberta), ou com materiais de preenchimento (junta preenchida);

Juntas com grandes aberturas, preenchidas ou não, conferem fraca resistência ao corte e aumentam a permeabilidade;

Junta fechada

Junta abertasem preenchimento

com preenchimento

a

aJunta aberta

As propriedades dos materiais de preenchimento das juntas afectam a resistência ao corte, a deformabilidade e a permeabilidade da descontinuidade.




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- resistência à compressão – quando sujeita a carga ou ensaio de compressão e depende do:

- resistência ao corte – quando sujeita a carga ou ensaio de corte. dependendo, também, dos factores anteriores e da presença da água;

- permeabilidade – escoamento e conductibilidade hidráulica. As descontinuidades são o caminho preferencial para o escoamento e depende da abertura e do preenchimento.

- tipo de matriz rochosa;- existência ou não de preenchimento;- grau de alteração das paredes.

3.4.3 Propriedades mecânicas e hidráulicas

A permeabilidade das juntas e a abertura hidráulica variam com a tensão normal efectiva;

A permeabilidade das juntas tende assimptoticamente para zero com o aumento da tensão efectiva normal.



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O campo de tensões é modificado pelas descontinuidades - as tensões normais anulam-se nas paredes e há concentração de tensões nos pontos de contacto.

O campo de deslocamentos não é contínuo, podendo ocorrer deslizamento ou corte, e que o deslocamento normal seja maior na fissura que no material.

As descontinuidades podem apresentar aberturas e preenchimentos variados, desde soldadas ou contendo vários materiais, proporcionando um comportamento mecânico também variado.

3.4.4 Tensões e deformações

As descontinuidades apresentam aberturas que podem variar de centésimos mm até alguns mm. Com o aumento das tensões normais, a abertura fecha-se aumentando a zona de contacto.

A curva tensão - deslocamento não é linear e a rigidez normal (inclinação da curva) não é constante.

Quando a junta se encontrar fechada o deslocamento é unicamente devido à deformação da rocha.



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Corte e atrito entre planos em contacto

- o deslizamento da descontinuidade é o fenómeno de corte mais comum;

- a teoria do atrito no deslizamento dum corpo sobre um plano dá a relação entre o ângulo de atrito φφφφ, a força normal N e a força de corte S, por:

S = N tg φφφφ

- logo que o deslizamento se produz, temos a força de atrito estático máximo que se pode desenvolver, proporcional à força normal N.




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Se a superfície é inclinada de um ângulo i, a força normal é:

N cos i + S sen i

A força tangencial de corte é:

S cos i - N sen i

Pelas condições de equilíbrio no plano inclinado:

S cos i - N sen i = (N cos i + S sen i) tg φφφφ

S - N tg i = N tg φφφφ + S tg φ φ φ φ tg i

S = N ( tg φ φ φ φ + tg i ) / (1 + tg φ φ φ φ tg i)

S = N tg(φ φ φ φ + i )




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O comportamento das juntas ao corte é um dos parâmetros mais importantes da MR;

- um talude, o corte decorre de uma força normal e constante definida pelo peso dos blocos;

- num túnel, o corte decorre de uma rigidez constante decorrente dos efeitos dos deslocamentos laterais.


O deslizamento dos blocos do maciço rochoso ao longo das juntas existentes nos taludes ou nas escavações, são regidas pela resistência ao corte desenvolvido nas descontinuidades.



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Corte em juntas

O corte numa junta lisa é regido por:

ττττ = σσσσn tg φφφφb

φφφφb – ângulo de atrito de base e na maioria dos casos está compreendido entre 25º ∼∼∼∼ 35º.

O corte numa junta rugosa atinge um máximo – resistência de pico.

Com o aumento da força de corte, o corte estabiliza num nível residual –resistência residual.

A resistência residual segue a lei:

ττττr = σσσσn tg φφφφr

φφφφr – maioria dos casos está compreendido entre 25º ∼∼∼∼ 35º como φφφφb.

Resistência de pico

Resistência residual

deslocamentos tensão normal

residual

picoF

orç

a d

e co

rte

Fo

rça

de

cort

e




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Imbricação: - o grau de imbricação depende da alteração e erosão sofrida pela junta;

- juntas mal imbricadas apresentam resistência ao corte mais fraca que as juntas imbricadas;

Água: - uma junta húmida apresenta atrito mais fraco que uma junta seca;

- a resistência ao corte de uma junta húmida é calculada com um ângulo de atrito húmido;

- se uma junta está submetida a uma pressão de água, o esforço normal a considerar é o esforço normal efectivo –tensão total (pressão intersticial).

Escala: - à medida que a escala aumenta, as asperezas mais rígidas rompem e o ângulo de atrito diminui.

3.4.5 Factores que afectam as propriedades das juntas



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3.5.1 Propriedades do maciço rochoso

3.5 Maciço rochoso e classificações geomecânicas. Aplicação aos túneis

3.5.2 Classificação do maciço. Classificações geomecânicas

3.5.3 Correlações entre RMR e Q3.5.4 Módulo de deformabilidade do maciço rochoso3.5.5 Túneis em rocha3.5.6 Mecanismos de rotura3.5.7 Suportes de túneis em rocha3.5.8 Mecanismos de suporte e reforço3.5.9 Dimensionamento do suporte3.5.10 Interacção maciço suporte



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Propriedades do maciço rochoso

- O maciço rochoso é constituído por rocha intacta e descontinuidades

A modificação do comportamento do maciço, de elástico contínuo com rocha intacta, ao maciço descontínuo fortemente fracturado, depende da presença das descontinuidades.

Transição de maciço intacto para maciço muito fracturado (Hoek, 2000)

Contínuo

Rocha intacta

Descontínuo Contínuo

Rocha fracturada de juntas fechadas

3.5 MACIÇO ROCHOSO E CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS. APLICAÇÃO AOS TÚNEIS

3.5.1 Propriedades do maciço rochoso

- as propriedades dependem dos parâmetros das descontinuidades, da matriz rochosa, e das condições dos limites das obras.



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Parâmetros das descontinuidades

Parâmetros da rocha

Condições nos limites

número de famílias resistência à compressão

pressão da água e caudal

atitude coesão tensões "in situ"

afastamento modulo de deformabilidade

abertura coef. Poisson

rugosidade

erosão e alteração

Principais parâmetros para caracterizar o maciço rochoso



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Classificações do maciço

Classificações geomecânicas

- A descrição da rocha, as medidas das características e propriedades da matriz rochosa, das descontinuidades e parâmetros do maciço, proporcionam os dados necessários para aplicação das classificações geomecânicas.

- A aplicação destas classificações permite estimar a qualidade e os parâmetros resistentes aproximados do maciço.

- É uma actividade complexa que envolve alguma subjectividade e depende bastante da experiência do utilizador no conhecimento do maciço e da obra a realizar.

- Há várias classificações, geralmente conhecidas pelo nome dos seus autores, que utilizam de forma ponderada as características do material-rocha, as descontinuidades e as condições hidrogeológicas do maciço rochoso.



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Classificações geomecânicas

Objectivos:

- caracterizar geotécnicamente um maciço, indexando a formação ou zonando o maciço segundo uma classe geomecânica preestabelecida;

- estimar o tempo em que o maciço (escavação) é autoportante;

- estimar o tipo e qualidade do suporte inicial a instalar.

Não existe nenhuma classificação universal que se adapte bem a definir qualquer tipo de terreno, devido a que são diversas as origens, composição e história geológica das rochas.

Os autores das classificações basearam-se na sua própria experiência, sendo que o campo de utilidade será maior quando utilizadas em zonas de semelhança geológica.



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Classificações mais conhecidas para maciços rochosos são:

- Terzaghi

- Protodyakonov

- Lauffer

- AFTES

- Deere (RQD)

- Barton (Q)

- Bieniawski (RMR)

Existe ainda uma classificação devida a Manuel Rocha (classificação MR -1976), embora pouco utilizada no dimensionamento das obras subterrâneas, permite estimar o volume de rocha que tende a carregar os suporte.



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Classificação de Terzaghi (1946, EUA)

- classifica os terrenos em 9 classes, atendendo às condições de fracturação, à coesão ou expansibilidade dos solos;



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- admite que na escavação há: relaxação do terreno acima da abóbada e nos hasteais, formando um volume de rocha solta tendente a cair no túnel;

- este movimento gera lateralmente forças de atrito devidas ao efeito de silo, transferindo carga para os lados de forma que a abóbada e os hasteais só suportam carga equivalente a uma altura Hp.

- de aplicação quando o recobrimento for superior ao dobro da altura da escavação, ou superior a 1,5 vezes o somatório do vão (B) com a altura (Ht), sendo a figura limitada por uma linha tirada na base dos hasteais, admitindo-se a formação de uma cunha activa de Rankine até à abóbada.



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Classificação de Protodiakonov (1936-1964, Moscovo, URSS)

- sintetiza a experiência recolhida na construção do metro soviético.

- classifica os terrenos associando um parâmetro f designado coeficiente de resistência às dimensões do túnel, definindo as cargas de dimensionamento e o suporte a instalar.

- baseia-se na forma e dimensão da abóbada de terreno que carrega o suporte, à semelhança com a de Terzaghi.

para rochas: f = σσσσc / 10

para solos: f = tg φφφφ + C /σσσσc

C = coesão drenada (MPa);φφφφ = ângulo de atrito;σσσσc = resistência à compressão

simples (MPa).- carregamento sobre a abóboda: Pv = γγγγ Hp

- pressão uniforme lateral: Ph = γγγγ ( Hp + 0,5 Ht ) tg2 (45 - φφφφ /2)

Ph = γγγγ (h + 0,5m) tg2 (45 - φφφφ/2)

- altura do carregamento: Hp = B1 / (2 f)

(Hp, Ht, B, B1 – ver figura de Terzaghi)



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Classificação de Lauffer (1958, Austria)

- sintetiza a experiência do estudo sobre o tempo que permanecem estáveis as escavações efectuadas em diferentes tipos de rocha;

- define:

vão activo – a mais pequena das dimensões S que se pode deixar sem suporte;

* largura da escavação;

* distância à frente.

tempo de estabilidade do terreno para o vão activo.



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Classificação de Deere (1964)

- Procura sistematizar a experiência do autor obtida na construção do Metropolitano de New York;

- Define o parâmetro, o RQD (Rock Quality Designation), que por si não permite a classificação do maciço, é contudo o mais representativo da qualidade do maciço rochoso.

- O RQD é máximo para um maciço de excelente qualidade e mínimo para um de fraca qualidade.

- De fácil obtenção que deve ser considerado com reservas, pois na sondagem poderão influir factores que poderão induzir erro, especialmente as operações de sondagem.



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Classificação de Barton (1974, Noruega)

Sintetiza a experiência na Noruega, define um índice de qualidade Q, por ponderação de 6 parâmetros obtidos da observação do maciço rochoso:

SRFJw

JaJr

Jn

RQD Q ====

RQD - qualidade da rocha;

Jn - grau de fracturação do maciço (n.º sistemas de descontinuidades);

Jr - índice de rugosidade, contemplando o preenchimento e continuidade

Jw - coeficiente redutor da presença de água;

SRF - factor que considera a influência do estado de tensão no maciço rochoso (stress reduction factor).

Ja - índice de alteração das juntas;



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Jn - grau de fracturação do maciço (n.º sistemas de descontinuidades)



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Jr - índice de rugosidade



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Ja - índice de alteração das juntas



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Jw - coeficiente da presença de água



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SRF - factor do estado de tensão no maciço



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ESR – Excavation Suport Ratio



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Classificação de Bieniawski (1974, 1989, Africa do Sul)

Obtida da experiência recolhida na construção de túneis na Africa do Sul, utiliza 5 parâmetros:

- resistência à compressão uniaxial (em laboratório);

- RQD;

- grau de fracturação do maciço;

- estado das descontinuidades;

- condições hidrogeológicas.

Utiliza ainda outro parâmetro que tem em consideração a influência da orientação e inclinação das descontinuidades relativamente ao eixo da escavação.

Estabelece 5 classes de maciço (muito bom, bom, razoável, fraco e muito fraco) a que são atribuídos parâmetros médios de resistência (coesão e ângulo de atrito) e módulos de deformabilidade do maciço rochoso.



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Estabelece também os tempos médios de auto suporte do maciço em função do vão escavado (distância à frente) e o tipo e qualidade do suporte a instalar.



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Em = 25 log 10 Q

Em = 2 RMR – 100 para RMR > 50

Em = 10 (RMR – 10)/40 para 20 < RMR < 85

Em = 10 (15 log Q + 40)/40

Os módulos de deformabilidade do maciço rochoso Em podem ser estimados por:

para Q > 1



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Ex. de aplicação 1:

- maciço granítico com 3 famílias de diacláses, irregulares e rugosas, fechadas e não alteradas. Família de juntas predominantes N60ºE;15ºNW

- RQD médio = 88%

- fracturação F3

- superfícies húmidas sem caudal

- resistência à compressão uniaxial superior a 160 MPa

- túnel escavado a 120m de profundidade no sentido de Sul para Norte



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Ex. de aplicação 2:

- maciço granítico fracturado por 2 famílias de diacláses, com muitas fracturas aleatórias. Família predominante N45º;15ºSE;

- RQD médio = 70%;

- fracturas com afastamentos inferiores a 11 cm;

- superfícies húmidas sem caudal;

- resistência à compressão uniaxial média da rocha é de 85 MPa;

- túnel escavado a 80m de profundidade no sentido de Sul para Norte sob nível freático a cerca de 10m da superfície;

- superfícies das diacláses ligeiramente rugosas e fortemente alteradas, geralmente em contacto ou com aberturas inferiores a 1mm e sem a presença de argila ;

- a densidade média da rocha é de 27 kN/m3.



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Correlações entre RMR e Q



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O modo de desmonte do maciço rochosos poderá ser estimado através aplicação do gráfico de Franklin que entra em consideração com as propriedades



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Precauções na utilização das classificações

- Necessitam de uma descrição muito detalhada do maciço. Limitar a confiança ao grau de detalhe e de conhecimento;

- Essencialmente aplicáveis aos meios descontínuos em virtude do peso das descontinuidades nos critérios. Com efeito perverso para os meios contínuos deformáveis;

- Utilizar, pelo menos duas ou mais, para confrontar os resultados. Ver as correlações;

- Desconfiar da aparente precisão do Sistema Q;

- A escolha do suporte a partir do RMR e muito sucinto;

- Reflectir sobre a descrição do maciço rochoso e resistir à simplicidade final;

- A mecânica das descontinuidades é quase desprezada pelo sistema Q.



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A construção de túneis em rocha envolve o estudo, a análise da escavação e do suporte.

Túneis em rocha



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A construção de túneis em rocha inclui a escavação de cavernas e poços, para várias aplicações.

Túnel (tunnel)

Túnel (tunnel)

Caverna (cavern)

Poço (shaft)



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1 Túneis em solos ou rochas alteradas

Em túneis superficiais em solos ou em rocha muito alterada poderão ocorrer problemas associados a roturas locais em tempos curtos.

Deverão ser utilizadas técnicas especiais de construção como:

- escavação a “céu aberto”;

- técnicas de reforço dos terrenos;

- suporte imediato após a escavação (rapidez executiva).

NOTA: as técnicas de pré suporte consideram-se como de reforço do terreno por actuarem, numa dada secção, antes da frente de escavação atingir essa secção.



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Os problemas de instabilidade estão associados ao escorregamento de blocos na abóbada e nos hasteais por acção do seu peso.

2 Túneis superficiais em maciços rochosos fracturados

A rotura poderá ser analisada pelo método das projecções;

As tensões "in situ" são reduzidas pelo que não controlam o mecanismo.

A escavação deverá ser orientada na:

- redução do volume dos blocos;

- no modo reduzir a dimensão das cunhas instáveis.



OBRAS SUBTERRÂNEAS

queda

deslizamento

A queda ou o deslizamento de cunhas ou blocos é determinada pela intersecção das descontinuidades.

É um tipo de rotura, estruturalmente controlada, que ocorre em rocha dura a pequenas profundidades.



OBRAS SUBTERRÂNEAS

Reperfilamento da secção com preenchimento de betão

Sobreescavações por atitudes desfavoráveis das fracturasSobreescavações por atitudes desfavoráveis das fracturas

IP3 - Túnel de Castro Daire

IP3 – Túnel de Castro Daire [10]



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Em rochas:

3 Túneis em rocha a profundidades intermédias

- pouco fracturadas;

- não alteradas;

não ocorrem problemas sérios de estabilidade quando as tensões na rocha envolvente à escavação não ultrapassam valores da ordem de 1/5 da resistência à compressão uniaxial (Rc) do "material" rocha, i. é:

σσσσ (“in situ”) < 0,20 Rc



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A fluência (squeezing) é uma larga deformação resultante da rotura plástica da rocha de comportamento dúctil;

Ocorre quando a relação de tensões entre resistência da rocha e a tensão "in situ" se situa abaixo de 20%.

Convergências que ultrapassam mais de 2m [12]



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4 Túneis a grande profundidade

Estas tensões provocam a deformação e a rotura da rocha em lascas ou por rotura explosiva (rockbursts).

O modo de escavação deverá ser dirigido e optimizado para reduzir o potencial de tensões que produz a rotura.


Com o aumento da profundidade, as tensões no maciço aumentam a níveis que induzem a rotura da rocha envolvente da escavação.



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O lascamento e a rotura explosiva da rocha é causada pelo alto nível tensões existentes "in situ".

É um modo de rotura que ocorre em rochas de comportamento frágil submetidas a altos níveis de tensões.





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Ex. Túnel hidráulico de 'Nathpa-Jhakri' – 1993, Himalaya / India (*)

(*) Thuro, K., Gasparini, M., Tunnelling and Rock Drilling under Stress Conditions at Nathpa-Jhakri Hydro Project, GeoEng2000, Melbourne, 2000

Escavação de um túnel em condições de fortes tensões locais



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Suportes de túneis em rocha

O cálculo do suporte dos túneis em rocha é baseado em dois modelos:

- utilizando as classificações geomecânicas na determinação da qualidade do maciço e as respectivas recomendações de suporte;

- aferição do suporte usado face ao controlo das deformações por observação, geralmente para maciços rochosos de fraca qualidade.

Para maciços rochosos de boa qualidade, onde a identificação de cunhas ou blocos que poderão cair ou deslizar, o cálculo é dirigido para o suporte deste blocos.

A rocha é usada como um material estrutural, isto é, em princípio não necessita de reforço, mas somente estabilização dos blocos.

queda

deslizamento



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- dos métodos empíricos – aplicação das classificações geomecânicas;

A monitorização da obra é necessária para verificar o desempenho do suporte e a eventualidade do modificar.

O dimensionamento do suporte é baseado na qualidade da rocha e na experiência, decorrente da aplicação:

- controlo das deformações – implementação dos método observacional.

Leitura inclinométrica Leitura extensométrica

IP3 – Túnel de Castro Daire. Observação do comportamento da obra [10] .



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Mecanismos de suporte e de reforço

Tensões naturais no maciço rochoso(antes da escavação)

Reforço imediato do maciço restringe os movimentos do terreno mantendo as capacidades resistentes da rocha.



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O maciço rochoso envolvente da escavação é reforçado ou suportado por forma a estabilizar a escavação, para:

- evitar a queda ou deslizamento dos blocos;

- reforçando a rocha em zonas de forte concentração de tensão;

- formando um arco na abóbada do túnel.



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Suporte de blocos individuais

Constituindo "lajes" e "pilares" de rocha



OBRAS SUBTERRÂNEAS

Limitando a zona plástica

Controlando a cedência

Constituindo um arco ou anel



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Dimensionamento do suporte

1 Dimensionamento do suporte baseado nas classificações geomecânicas, na determinação da qualidade do maciço.

- suporte (betão projectado em rochas duras) é aplicado imediatamente após a escavação. Pode servir para suporte permanente.

- poderá ser aplicado outro suporte mais tarde (pregagens e betão projectado).

- a monitorização é necessária para a verificação (validação) do dimensionamento.

2 Dimensionamento do suporte baseado no controlo das deformações

- suporte (betão projectado e pregagens) é aplicado imediatamente baseado em estudos preliminares da estabilidade do túnel;

- os movimentos do terreno e/ou do túnel são monitorizados em função do tempo. Se o suporte instalado é suficiente, os deslocamentos estabilizam;

- se o suporte é insuficiente, os movimentos progridem. Dever-se-á instalar suporte adicional até conseguir-se a estabilização dos deslocamentos.



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Interacção maciço - suporte

A interacção entre o maciço e o suporte ilustra o comportamento do maciço envolvente ao túnel e do material do suporte.

deslocamentos radiais do maciço encaixante

pressão do suporte

Depois de escavado, o túnel deforma de vários modos para rochas de diferente qualidade.

A curva pressão - deformação pode, então, ser estabelecida para um dado túnel e para um terreno determinado.

É caracterizado por uma curva de carregamento - deslocamento do túnel com a curva de carregamento do material do suporte.

A pressão no suporte depende da deformação do túnel – inicialmente é elevada mas decresce com o aumento da deformação.



OBRAS SUBTERRÂNEAS

A curva pressão - deformação do do suporte pode ser estabelecida para cada material que o constitui.

pregagens

betão projectado

As curvas pressão - deformação do maciço e do suporte são analisadas em conjunto.

A pressão no suporte corresponde ao ponto em que as deformações do maciço e do suporte são iguais – no equilíbrio.

(a) suporte rígido;

(b) suporte médio;

(c) suporte na cedência;

(d) suporte ligeiro;

(e) suporte insuficiente.



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3.6 Bibliografia

Túnel do MarãoTúnel do Marão



OBRAS SUBTERRÂNEAS

[1] – Zhao J., Rock Mechanics, Course Lectures, Laboratoire de Mécanique des Roches - LMR, École PolytechniqueFédérale de Lausanne - EPFL, 2007;

[2] – Barla, G., Rock Mass Description and Ocurrence of Discontinuities, Politecnico di Torino, 2006;

[3] – Martin, F., Notions de Mécanique des Roches, ENS Cachan, Département du Génie Civil, 2006;

[4] – Brady, B. H., Brown, E. T., Rock Mechanics for Underground Mining, Chapman & Hall, 1993;

[5] – Klima, K., Rock Face Characterisation, Workshop - Modern rock face characterisation techniques, Graz, University of Technology, Dec.2006;

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cap 3-mr 12-13

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