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Classificação geomecânica de rochas

Mecânica das rochas

Classificação geomecânica de maciços rochosos

• A melhor classificação seria conhecer:

• as propriedades mecânicas do maciço,

• as propriedades das rochas,

• as descontinuidades.

• praticamente isso é impossível, então fizeram

classificações que diferenciam os maciços em

diversas categorias de qualidade.

• Origem: escavações de túneis: Utilizam diversos critérios que relacionam as condições

particulares de escavação que se vai realizar com as

condições que apareceram em outras obras subterrâneas já

realizadas.

Classificação geomecânica de maciços rochosos

• experiências anteriores com o “índice de qualidade

do maciço rochoso” se estimam os métodos de

escavação mais adequados e as necessidades de

sustentação (escoramento).

• Tendência atual é relacionar as classificações dos

maciços rochosos com certos parâmetros mecânicos

(módulos e resistência triaxial).

• Para classificar um determinado maciço rochoso,

divide-se este previamente em domínios estruturais,

cada um dos quais terá características similares

como litologia, espaçamento entre juntas, etc.

• O limite de um domínio estrutural pode coincidir

com falhas geológicas ou diques.

Classificação de Terzaghi (1946)

• Para uso na estimação dos carregamentos que são

suportados por arcos de aço em túneis.

• Indica que, do ponto de vista da engenharia, é mais

importante o conhecimento do tipo e frequência dos

defeitos da rocha do que o tipo de rocha que vai

aparecer na obra. (não é gênese o mais importante)

• Esta classificação divide os maciços rochosos em 9

tipos, segundo o estado de fraturamento da rocha.

• Leva em conta a disposição da estratificação em

relação ao túnel do ponto de vista de

desplacamentos.

Classificação de Terzaghi (1946)

• Classificação para suporte de túneis;

• Carregamento da rocha sobre o suporte de aço

baseado em uma classificação descritiva

• Apesar não ser mais utilizada para classificação em

maciço rochoso, ele descreve com boa qualidade os

parâmetros que influenciam o comportamento do

maciço rochoso

• Descrição do maciço rochoso e suporte requerido

Classificação de Terzaghi – características

• Se a estratificação é vertical em geral o teto será

estável, existindo risco de caída de blocos em uma

altura de 0,25.H(H é a altura do túnel).

• Se a estratificação é horizontal, de grande potência e

com poucas juntas, o túnel será estável.

• Se a estratificação é horizontal, de pequena potência

ou com muitas juntas, não existirá estabilidade.

• Então se desenvolvem rupturas no teto formando

um arco sobre o túnel, com uma largura igual a

do túnel e uma altura igual a metade da largura.

Esta instabilidade prosseguirá seu curso até que

seja detida por meio de escoramento.

Classificação de Terzaghi - 9 tipos de terreno

resultante dessa classificação

Hp = grandeza em pés para uma profundidade superior a 1,5 (B+H) sendo B a largura e H a

altura do túnel

Se o teto do túnel se encontrar sempre acima do nível freático os valores são reduzidos de

50%

Classificação de Terzaghi – critérios de descrição das

rochas. • Rocha intacta: contém poucas juntas ou fraturas. O teto se

mantém após detonação durante muitas horas ou dias.

• Rocha estratificada: consiste em estratos individuais com

pequena ou nenhuma resistência separação ao longo do

contato entre eles. O estrato pode ou não ser atravessado por

juntas transversais. Nessas rochas o desprendimento de

blocos é muito comum.

• Rocha moderadamente diaclasada. Blocos e capas: contém

juntas e pequenas fraturas mas os blocos existentes entre as

juntas estão intimamente interrelacionados de tal forma que

as paredes laterais não precisam de suporte. Nessas rochas

são encontradas condições de caimento rápido.

Classificação de Terzaghi – critérios de descrição das

rochas. • Rocha muito fraturada: quimicamente intacta e possui aspecto

de rocha triturada. Se os fragmentos são de tamanho areia de

granulometria fina e sem cimentação posterior, a rocha que se

encontra abaixo de lenços freático apresenta propriedades de

uma areia saturada.

• Rocha completamente fraturada: a rocha vai invadindo

lentamente o interior do túnel sem aumento perceptível do

volume.

• Rocha fluente: a rocha vai invadindo o interior do túnel

provocando fortes tensões laterais.

• Rocha expansiva: a rocha avança pelo interior do túnel devido

principalmente a expansão. A capacidade de expansão dos

estratos está limitada aquelas rochas que contém minerais

argilosos.

TIPO Hp OBSERVAÇÕES

1 0 Necessita suporte rápido de blocos que desprender-se devido, a liberação de tensões virgens (explosões)

2 0 a 0,5 B Suporte ligeiro

3 0 a 0,25 B Tensão varia de lado a lado

4 (a) 4 (b)

0,25 a 0,35 (B +H) 0,35 a 1,1 (B + H)

Não se verificam pressões laterais Podem verificar-se pequenas pressões laterais

5 1,1 (B +H) Considerável pressão lateral. Requer suporte continuo de cambotas.

6 (a) 6 (b)

0,25 a 0,35 (B +H) 0,35 a 1,1 (B + H)

Considerável pressão lateral. Requer suporte continuo de cambotas.

7 Independente do Valor de (B + H)

Cambotas circulares. Em casos extremos usar usar suportes flexíveis

CLASSIFICAÇÃO DE TERZAGHI - COMPORTAMENTO DO

MACIÇO FACE À ESCAVAÇÃO Se o solo é firme para grande escavação - full face

CLASSIFICAÇÃO DE TERZAGHI - COMPORTAMENTO DO

MACIÇO FACE À ESCAVAÇÃO

Se o solo é firme para grande escavação - full face

Os métodos construtivos e os tipo de suporte são projetados para reduzir os movimentos de

entrada de terra no túnel

Classificação geomecânica

RQD – Rock Quality Designation

RMR – Rock Mass Rating

Q-system

RQD – Rock Quality Designation • Leva em consideração a qualidade da rocha em

testemunhos de sondagem.

• É uma modificação da porcentagem de recuperação da sondagem que considera apenas pedaços de testemunho maiores que 100mm.

• Não leva em consideração parâmetros importantes como orientação e qualidades das descontinuidades.

• Utilizado em outras classificações geomecânicas.

RQD – Rock Quality Designation • Este índice é muito fácil de ser obtido.

• Pode levar a erro?

• Classificação apropriada para rochas pouco resistentes

• Limitações: não considera propriedades importantes das massas rochosas . Por ex: Tamanho das descontinuidades, rugosidade e orientação dos planos das juntas nem o material de preenchimento das descontinuidades

• A classificação baseada no RQD somente tem certa garantia em maciços rochosos regularmente fraturados e sem argila em suas descontinuidades.

• Classificação baseada no RQD.

Relação entre RQD e necessidade de escoramento em função da

largura do túnel.


• Desenvolvida por Bieniawski - • Sistemas de classificação mais práticos foram

criados, o RMR passou a ser empregado em larga escala na engenharia.

• É baseado em cinco parâmetros universais (resistência da rocha, RQD, permeabilidade do maciço, espaçamento das juntas e fraturas e características destas juntas) e um sexto parâmetro (orientação das juntas) que é computado diferentemente para cada aplicação específica, (tuneis, mineração, fundação).

Os procedimentos empíricos apresentados

envolvendo o uso de RMR foram testados em 351

situações (túneis e minas) apresentados em

Bieniawski, 1989



Principais parâmetros: – RQD – qualidade da rocha(Rock Quality Designation)

– Espaçamento entre juntas (descontinuidades – juntas falhas, camadas)

– Resistência à compressão uniaxial da rocha

– Qualidade das descontinuidades

– Presença de água no maciço rochoso

– Orientação das descontinuidades em relação a orientação da escavação

– Além disso leva-se em consideração um ajuste para orientação das juntas (favorável ou

desfavorável).

• A soma dos parâmetros variam de 0 – 100 aumentado com a qualidade do maciço. É o resultado de ensaios de laboratório, avaliações de campo e tabelas, cuja soma nos fornece o índice de qualidade RMR.

Resistência a compressão

puntiforme (MPa)

Resistência Comp.

Uniaxial (MPa)

Graduação

>8 > 200 15

4 -8 100-200 12

2 - 4 50-100 7

1 -2 25-50 4

Não Usar 10-25 2

Não Usar 3-10 1

Não Usar <10 0

Parâmetros para a Resistência da Rocha

Graduação para o RQD

RQD Graduação

0-25 3

25-50 8

51-75 13

76-90 17

91-100 20

Graduação espaçamento da família de juntas de

maior influência Espaçamento das juntas (m) Graduação

>3 30

1 - 3 25

0,3 - 1 20

0,005 – 0,3 10

< 0,005 5

Graduação para o parâmetro características

das juntas

Descrição Graduação

Superfície muito rugosa de extensão limitada, contatos

formados por rochas duras

25

Superfícies levemente rugosas; abertura menor que

1mm; contatos formados por rochas duras.

20

Superfícies levemente rugosas; abertura menor que

1mm; contatos formados por rochas moles.

12

Superfícies lisas ou com preenchimento de 1 a 5 mm de

espessura, ou abertura de 1 a 5 mm; extensão das juntas

superiores a vários metros.

6

Juntas abertas preenchidas com mais de 5 mm de

materiais plásticos; ou abertas mais de 5 mm; extensão

maior que vários metros.

0

Graduação para o parâmetro permeabilidade

do maciço

Fluxo d’água por

10 m ou

comprimento do

túnel (l/min)

Pressão d’agua

nas juntas

dividida pela

tensão principal

maior (σ1)

Condição geral Graduação

Nenhum 0 Completamente

seco

10

25 0,0 – 0,2 Úmido 7

25-125 0,2 – 0,5 Água sob pressão

moderada

4

125 0,5 Problemas sérios

de água

0

Ajustamento do RMR para orientação das

juntas

Verificação da influência da

orientação da obra

Graduação para

túneis

Graduação

para

fundações

Muito favorável 0

0

Favorável -2 -2

Razoável -5 -7

Desfavoravel -10 -15

Muito desfavorável -12 -25

RMR – Rock Mass Rating...

RMR = Tab1+Tab2+Tab3+Tab4+tab5+Tab6 Classificação geral de Bienawski:

Relação entre RMR e tempo de resistência de uma escavação

sem suporte no subsolo

RMR – Rock Mass Rating...

Muito

pobre

pobre

Razoável

Boa

Muito

Boa

Relação entre o vão livre e o tempo de auto sustentação (Bieniawski -

1976)

Exemplos

CLASSIFICAÇÃO BGD

(BASIC GEOTECHNICAL DESCRIPTION OF ROCK MASSES)

Recordando!

CLASSIFICAÇÃO GEOTÉCNICA:

• Situa o maciço numa CLASSE

• Faz recomendações quanto ao SUPORTE julgado mais

adequado para as condições verificadas

SISTEMA RSR (rock structure rating) - Wickham,

Tiedemann e Skinner (1972)

• Desenvolvido com vista à definição do revestimento

(suporte) necessário em escavações subterrâneas,

nomeadamente, TÚNEIS

• É um método da descrição da qualidade de maciços

rochosos

• O valor RSR é obtido a partir da quantificação de

determinados parâmetros das formações geológicas dentro

de limites definidos pelos autores

SISTEMA RSR (rock structure rating) - Wickham,

Tiedemann e Skinner (1972)

• O valor RSR é obtido a partir da quantificação de três

parâmetros, sendo:

• Parâmetro A – refere-se as características geológicas do

maciço

• Parâmetro B – refere-se a fraturação do maciço e a

orientação da escavação em relação a estrutura geológica

• Parâmetro C – refere-se as condições hidrogeológicas

SISTEMA RSR

SISTEMA RSR

A cada parâmetro corresponde o valor máximo de

30, 50 e 20, num total de 100

RSR=A+B+C

SISTEMA RSR

Observações:

• Maciços rochosos com RSR inferior a 27 só serão estáveis

com revestimento estrutural contínuo;

• Maciços rochosos com RSR superior a 77 não necessitam de

Revestimento

• O sistema RSR é correlacionável com o sistema RMR:

• RSR=0.77RMR+12.4

SISTEMA RSR

Desvantagens:

• Para a determinação do parâmetro A a classificação litológica

não é precisa e torna por vezes difícil enquadrar o maciço nos

tipos propostos

• No caso do parâmetro B, o espaçamento entre fraturas está

fora das normas propostas pela Sociedade Internacional de

Mecânica das Rochas.

• Para o parâmetro C, o fato de se fazer depender o seu valor

das afluências de água no túnel, torna-o profundamente

subjetivo.

• Não leva em conta a profundidade a que se desenvolve a obra

• Não considera a posição do nível freático.

SISTEMA RSR

Vantagens:

• Como principal vantagem indica-se o fato dos autores terem

testado o método em quase duas centenas de secções e

apresentarem correlações entre o R.S.R. e os vários tipos de

suporte modernamente utilizados

• Leva em conta o processo construtivo

SISTEMA RSR

Relação RSR-suporte inicial para um túnel com 3,0 m de diâmetro

SISTEMA RSR

Relação RSR-suporte inicial para um túnel com 7,5 m de diâmetro

SISTEMA RSR

Ajuste do RSR quando a escavação é feita com FULLFACER

(máquina de furação continua)

Q-system

Q-system

• Desenvolvido por Barton, Lien e Lunde (1975) • O índice “Q” de qualidade do maciço rochoso se baseia em seis

parâmetros combinados, cada parâmetro é dividido em níveis distintos, são:

– RQD – Jn = Número de famílias de juntas – Jr = Rugosidade da descontinuidade mais desfavorável – Ja = Grau de alteração ou preenchimento na descontinuidade mais fraca (mais desfavorável) – Jw = Fator de redução devido a Presença de água (fluxo de água) – SRF = Fator de redução devido ao Estado de tensões.

• Índice de qualidade da rocha no sistema Q varia entre 0.001 e 1000 em uma escala logarítmica

• Sistema desenvolvido especificamente para obras subterrâneas (túneis)

• A qualidade do maciço rochoso (Q) baseia-se em 6

parâmetros, cada um deles com um determinado peso

Q-system

Parâmetros Pesos

RQD- Rock Quality Designation 0 – 100

Jn = Número de famílias de juntas (descontinuidades) 0.5 – 20

Jr = Rugosidade da descontinuidade mais desfavorável

0.5 – 4

Ja = Grau de alteração ou preenchimento na descontinuidade mais fraca (mais desfavorável)

0.75 – 20

Jw = Fator de redução devido a Presença de água (fluxo de água) 0.1 – 1

SRF = Fator de redução devido ao Estado de tensões.

0.5 – 20

Q-system...

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

onde:

RQD - rock quality designation

Jn - número de famílias de juntas (descontinuidades)

Jr - número para a rugosidade da descontinuidade

Ja - número para o grau de alteração da descontinuidade

Jw - valor de redução devido à presença de água

SRF - stress reduction factor, fator de redução devido ao estado de tensões

Q-system...

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Estrutura do maciço ou seja

A blocometria Carac. A rugosidade e atrito das paredes das

fraturas e dos materiais de preenchimento

Estado de tensão no maciço

Q-system...

• O sistema Q permite classificar os maciços rochosos em 9

categorias

• A classificação tem como objetivo definir o tipo de suporte

necessário à estabilidade de maciços rochosos em que há

interesse na construção de TÚNEIS de diversos vãos

Q-system...

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Q-system...

Q=0,1

Q=1 Q=10

Q=40

Muito

pobre

pobre

Razoável

Boa

Muito

Boa

Q-system...

Q-system...

Q-system...

100

50

3020

10

5

32

1

0.5

0.30.2

0.10.001 0.01 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000

LA

RG

UR

A/E

SR

(m

)

VALOR DE Q

ESPAÇAMENTO ENTRE TIRANTES

2

22

2

2

22

22

2

2

2

1

1

3

3

5

4

3

3

6

6

6

6

8

8

8

8

10101010

32

ESPAÇAMENTO ENTRE TIRANTES (m DE SUPERFÍCIE DE ESCAVAÇÃO POR TIRANTE)2

750300

200150 100

10075

5050

5050

75

100

200

75

80

25

25

2525

2525

100

50

3020

10

5

3

1

0.5

0.30.2

0.10.001 0.01 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000

2

ESPESSURA DE CONCRETO PROJETADO (mm)(reforço com tela nas áreas achuradas)

LA

RG

UR

A/E

SR

(m

)

VALOR DE Q

Os gráficos ao lado

não resolvem

questões relativas

ao comprimento

dos tirantes,

100

50

3020

10

5

32

1

0.5

0.30.2

0.10.001 0.01 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000

LA

RG

UR

A/E

SR

(m

)

VALOR DE Q

ESPAÇAMENTO ENTRE TIRANTES

2

22

2

2

22

22

2

2

2

1

1

3

3

5

4

3

3

6

6

6

6

8

8

8

8

10101010

32

ESPAÇAMENTO ENTRE TIRANTES (m DE SUPERFÍCIE DE ESCAVAÇÃO POR TIRANTE)2

750300

200150 100

10075

5050

5050

75

100

200

75

80

25

25

2525

2525

100

50

3020

10

5

3

1

0.5

0.30.2

0.10.001 0.01 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400 1000

2

ESPESSURA DE CONCRETO PROJETADO (mm)(reforço com tela nas áreas achuradas)

LA

RG

UR

A/E

SR

(m

)

VALOR DE Q

Q-system...

Bieniawski, 1976 propôs uma correlação entre RMR e Q, baseada em

111 casos em túneis civís:

RMR = 9 ln Q + 44

para túneis em mineração (187 casos) a correlação proposta é:

RMR = 10.5 ln Q + 42

Exercício 1

Exercício 2Mina do Recreio / Butiá

• Dados: 75 m de profundidade

• Material: carvão / camada S12

• Índice de Carga Pontual: 26 Kgf/cm2 (2.6 MPA)

• Condições da Juntas: abertura < 1 mm, rocha levemente alterada, pouco rugosa e sem preenchimento

• RQD: 45% Uma família de descontinuidades

• Espaçamento principal: 450 mm

• Condições da Água Subterrânea: seco

Exercício 3 Está prevista a construção de um túnel rodoviário com um diâmetro de 7.3 m numa área composta por formações calcárias mais ou menos fraturadas. Face aos trabalhos desenvolvidos, “in-situ”, verificou-se que o maciço rochoso deve ser dividido em 2 zonas pelas diferentes características do nível de fraturação.

A zona A apresenta-se pouco fraturada estando as descontinuidades ligeiramente alteradas enquanto que a zona B se apresenta intensamente fraturada e as paredes das descontinuidades muito alteradas. O espaçamento entre descontinuidades na zona A é em média 70 cm enquanto que na zona B varia entre 20 e 30 cm.

O eixo do túnel desenvolve-se segundo a direção W - E.

Na zona A a família de descontinuidades apresenta a seguinte atitude: N 80° W,

60° SW

Na zona B as descontinuidades têm atitude N10°E, 60°SE.

O volume de água previsto em ambas as zonas é distinto uma vez que a fraturação varia significativamente. Enquanto na zona A não está previsto a circulação de água, na zona B prevê-se a infiltração de um caudal na ordem dos 200 l/min.

Classifique ambas as zonas e preveja a espessura do revestimento de concreto.

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