Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura

SBMR 2014 – Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014

© CBMR/ABMS e ISRM, 2014

SBMR 2014

Rochas Brandas - Sugestões para Amostragem e Execução de Ensaios em Laboratório e In Situ Autor: João Luiz Armelin FURNAS Centrais Elétricas S.A., Goiânia – GO, Brazil, armelin@furnas.com.br RESUMO: As rochas brandas, como definidas neste texto, enfrentam restrições ao seu uso em obras de engenharia, contudo, uma adequada determinação de suas propriedades pode conduzir a uma reavaliação indicando algumas possibilidades de emprego, ainda que em número reduzido quando comparado com as possibilidades de utilização das rochas mais resistentes. Neste contexto, são analisados alguns métodos de amostragem e também ensaios tradicionalmente realizados para obtenção de parâmetros que possibilitam caracterizar e classificar essas rochas segundo critérios de interesse. PALAVRAS-CHAVE: Rochas brandas, ensaios, laboratório, in situ. 1. INTRODUCÃO

As rochas sedimentares, entendendo-se como tal rochas submetidas essencialmente a processos diagenéticos, caracterizam-se por apresentarem desempenho, no que concerne à utilização em obras de engenharia geotécnica, inferiores às rochas magmáticas e metamórficas, excetuando-se, a existência, nesses dois últimos tipos, de graus de intemperização mais avançados. No presente texto serão contempladas apenas as rochas denominadas rochas brandas, ou seja, rochas com resistência última à compressão uniaxial compreendida entre 1 e 4 MPa. Este intervalo surge como referência em função das dificuldades observadas durante a amostragem e execução de ensaios tradicionais em amostras de rocha com esse nível de resistência mecânica. Muitos ensaios, rotineiramente realizados com a finalidade de extrair parâmetros mecânicos dessas rochas ou simplesmente estabelecer bases para uma classificação local, conduzem a resultados não confiáveis. Uma revisão dos processos de amostragem, condução de ensaios em laboratório e in situ torna-se então necessária para superar estes obstáculos experimentais. Com este enfoque, as considerações e sugestões contidas neste texto procuram

contribuir para uma adequada especificação de processos de amostragem, seleção de ensaios apropriados e adoção de metodologias para sua execução. O texto aborda também algumas questões relacionadas à execução de ensaios in situ realizados em maciços sedimentares. Grande parte dos aspectos aqui levantados emergiu da experiência obtida em obras de engenharia construídas em maciços predominantemente areníticos, localizados na Bacia Sedimentar do Paraná, que, em sua maior parte, abrange as regiões sul e sudeste do Brasil.

2. AMOSTRAGEM

As técnicas de amostragem adotadas para as rochas brandas envolvem tanto práticas herdadas da retirada de amostras indeformadas de solo, técnicas essas sobejamente conhecidas, difundidas e consagradas, como também a amostragem por meio de sondagens rotativas, em sua versão convencional ou, com a extração de amostras orientadas. Em relação ao primeiro tipo de amostragem, sua execução envolve o emprego de utensílios como serra de aço rápido e espátulas para o adequado entalhe dos blocos, à maneira da

SBMR 2014

extração de amostras indeformadas de solos e são, frequentemente, realizadas no fundo de poços ou trincheiras. A capacitação técnica, a sensibilidade em relação ao material amostrado e a arte de improvisar são requisitos indispensáveis a um bom técnico encarregado da amostragem. Por vezes, há necessidade de se empregar equipamentos mais eficazes. Isto ocorre quando a rocha, apesar de classificada como branda, apresenta resistência mecânica mais elevada do que aquelas que admitem o emprego de ferramentas manuais para a sua extração. Nesses casos, são utilizados extratores de amostras comumente empregados na amostragem de concreto e rochas duras. A técnica consiste em delimitar o perímetro do bloco com furos secantes e com profundidade maior que a altura desejada para o bloco. Numa etapa posterior o material circunjacente, exterior aos furos, é removido com o auxílio de ferramentas manuais tais como alavancas e picaretas, restando no centro do fundo do poço ou trincheira o bloco intacto, aguardando apenas o seccionamento de sua base. A aplicação de entretela e parafina nas faces expostas do bloco é a etapa a ser seguida para proteção de sua integridade e para minimizar a perda de umidade. O seccionamento da base do bloco e sua proteção constituem a etapa final da amostragem. Cuidados especiais devem ser tomados para a adequada remoção do bloco e o posterior transporte até o laboratório de testes. No laboratório, corpos de prova serão retirados para os testes e isso pode ser feito por entalhe manual do bloco ou com a utilização de extratoras de amostras dotadas de dispositivos rotativos aos quais são acopladas ferramentas de corta compostas por ligas de tungstênio ou diamantes dispersos em matriz sinterizada. A amostragem por meio de sondagens rotativas também exige uma série de especificações de forma a se obter amostras de boa qualidade. Considerando-se que o diâmetro de equipamentos de sondagem, particularmente das coroas diamantadas, genericamente referido com NW, em suas diversas variantes e

conforme padronização da Diamond Core Drilling Manufacturers Association, DCDMA, é o diâmetro mais difundido e utilizado em investigações geotécnicas, servindo inclusive de base para a definição do parâmetro Rock Quality Designation, RQD, tem-se estabelecida uma ligação entre investigações de campo e testes de laboratório, já que amostras com o diâmetro mencionado necessitam de pouca preparação adicional para serem testadas uma vez que diversos equipamentos de laboratório são projetados e fabricados para testes em corpos de prova com esse diâmetro. Excelentes resultados também foram obtidos com a adoção do diâmetro 86 milímetros, padronizado no sistema Craelius, contudo, esse equipamento é mais difundido no continente europeu, sendo que a sua adoção no cenário sul americano implica em custos adicionais nas investigações geotécnicas. Para que amostras de rochas brandas obtidas a partir de sondagens rotativas tenham boa qualidade, a experiência tem demonstrado que é necessária a adoção de lama bentonítica, ou equivalente, como fluido de perfuração. A utilização de água pura como fluido circulante nem sempre conduz a bons resultados quando se trata dessa questão. A preparação final dos corpos de prova antes dos testes é feita manualmente uma vez que o tipo de rocha aqui considerado não admite preparação com equipamentos tais como torno e retífica. Este fato cria uma dificuldade em relação às especificações contidas nos métodos de ensaio sugeridos pela International Society for Rock Mechanics, ISRM (2007), no que diz respeito às tolerâncias a serem observadas na superfície cilíndrica e no topo e base dos corpos de prova. Essa dificuldade está representada até mesmo na dimensão menor dos grãos que, em muitos casos, pode ultrapassar, em muito, os valores estipulados para essas tolerâncias. Lembra-se que a aplicação de materiais de regularização no topo e base dos corpos de prova é prática não recomendada pela ISRM. É possível que a solução para este tipo de problema resida na intercalação entre o topo e a base do corpo de prova e os pratos da máquina de ensaios de delgados discos de material com baixo coeficiente de Poisson, tal como a cortiça.

SBMR 2014

3. CARACTERIZAÇÕES EM CAMPO

As tentativas de caracterização das rochas brandas, como aqui entendidas, em campo, resumiram-se ao emprego do martelo de Schmidt e da utilização de pistolas de cravação de pinos, disponíveis comercialmente, utilizando pinos padronizados e cargas propulsoras com energia reduzida por meio da diminuição da quantidade de material explosivo contida nas cápsulas. No caso do emprego do martelo de Schmidt as tentativas não surtiram bons resultados, obtendo-se valores muito dispersos. A explicação para esse insucesso parece residir no fato de que no momento do impacto a ponta do martelo, que possui uma superfície esférica, imprime uma deformação permanente à rocha, o que pode ser constatado observando-se o ponto de impacto é indelevelmente marcado por uma concavidade rasa impressa pela ponta metálica, não se constituindo assim em um choque elástico. Também a cravação de pinos com pistolas utilizadas na construção civil não resultou em valores agrupados. Neste caso a dispersão desses valores pode ser atribuída à variação textural e da fábrica da rocha, tanto vertical quanto lateralmente, mas principalmente devido ao controle de qualidade das cargas propulsoras testadas já que as mesmas não tinham expressão comercial. As tentativas relatadas dão relevância ao tema da caracterização dessas rochas por meio de dispositivos que, quando empregados em rochas com resistência mecânica mais elevada, apresentam desempenho adequado.

4. ENSAIOS EM LABORATÓRIO

Point Load Test – Embora os ensaios de resistência pontual possam ser executados em campo, dada à existência de equipamentos portáteis, é frequente sua realização em laboratório.

A finalidade precípua da realização desses ensaios é a obtenção de valores de resistência pontual que possam ser utilizados no estabelecimento de correlações com os resultados obtidos a partir de outros tipos de ensaio, notadamente os ensaios de resistência à compressão uniaxial, quando resultados desses últimos ainda não estão disponíveis ou não estão previstos. Para o tipo de rocha considerado neste texto é frequente a realização de ensaios tanto na condição de amostra seca ao ar quanto na condição de amostras saturadas por imersão em água por períodos mínimos de tempo estipulados nas especificações de ensaio. Tanto no caso das amostras secas ao ar quanto no caso das amostras saturadas por imersão em água observa-se que essas amostras, ao serem comprimidas entre as pontas do equipamento de teste, experimentam rupturas localizadas, com as pontas metálicas penetrando na rocha, não caracterizando assim a forma de ruptura que, perpassando toda a amostra, validam o teste. Essa observação conduz à reflexão sobre a real utilidade desses ensaios em rochas como as aqui descritas e a consequente confiabilidade em relação a correlações estabelecidas a partir dos valores obtidos nos testes. A alternativa que se apresenta parece residir, sempre que exequível, na opção pela não realização desse tipo de ensaio e pelo não estabelecimento de correlações, especificando-se diretamente os ensaios de compressão uniaxial. Brazilian Test – As considerações estabelecidas para o Point Load Test aplicam-se também às determinações por meio indireto da resistência à tração pelo ensaio universalmente difundido e conhecido como brazilian test. Assim como no ensaio anteriormente abordado, as placas de aço sugeridas pela ISRM provocam uma ruptura localizada na região de apoio e somente algum tempo depois é que surge a ruptura esperada para este tipo de ensaio. Uniaxial Compressive Test – A realização desse tipo de ensaio enfrenta algumas dificuldades que se manifestam já na fase de preparação das amostras como já mencionado anteriormente e, numa etapa seguinte, na

SBMR 2014

adoção de um sistema adequado de medição das deformações. Dada à fragilidade mecânica, a preparação da superfície lateral, cilíndrica, e do topo e base dos corpos de prova, com frequência é executado manualmente, utilizando-se de instrumentos de uso rotineiro na preparação de amostras de solo. Muitas vezes, em função da dimensão dos grãos constituintes da rocha, as recomendações da ISRM para a relação diâmetro do corpo de prova e diâmetro do maior grão (10:1) não podem ser atendidas, uma vez que o valor para a regularidade planar do topo e base deve ser de 0,02 milímetros e a inexistência de irregularidades abruptas na superfície cilíndrica bem como sua regularidade de 0,3 milímetros ao longo de todo o seu comprimento. Quanto ao topo e base dos corpos de prova, superfícies que estarão em contato com os pratos da máquina de testes, deve-se aplicar uma força de pequena intensidade quando comparada com a resistência última da amostra à compressão uniaxial (no máximo 2% dessa resistência) para se obter uma adequada acomodação do sistema amostra/máquina de testes. A preservação do diâmetro da amostra é uma questão que tem origem já na extração por meio de sondagens rotativas. A não utilização de lama bentonítica ou fluido de perfuração equivalente, normalmente conduz à obtenção de amostras com redução irregular em seus diâmetros como se observa na Fig. 1.

Figura 1. Irregularidade do diâmetro ao longo da amostra.

As Figs. 2 e 3 mostram as diferenças entre os diâmetros de uma amostra de rocha resistente, no caso da Fig. 2 e de uma amostra de rocha branda, no caso das Fig. 3. A diferença pode ser

observada quando se comparam os diâmetros das amostras, em sua parte inferior, com o diâmetro do prato da máquina de teste. Essas irregularidades podem conduzir a erros no cálculo final da resistência última. Outra questão diz respeito à escolha de sistema de medição dos deslocamentos ou deformações. Anéis fixados na superfície cilíndrica do corpo de prova para dar suporte a transdutores de deslocamento podem sofrer pequenas movimentações durante o teste uma vez que seu apoio está estabelecido sobre os grãos da rocha e sendo estes facilmente desagregáveis. O apoio deve ser sempre estabelecido nos pratos, inferior e superior, da máquina de testes como mostram as Figs. 2 e 3.

Figura 2. Amostra de rocha resistente posicionada na máquina de testes.

SBMR 2014

Figura 3. Amostra de rocha branda sendo posicionada na máquina de testes.

A adoção de um sistema de medição das deformações por meio de extensômetros elétricos de resistência exige a preparação do local com consequente aplicação de resina para fixação dos extensômetros à superfície da amostra. Como esse tipo de rocha normalmente tem porosidade bem desenvolvida, a resina penetra nos poros próximos ao local de colagem e, após endurecer, passa a constituir uma inclusão rígida sobre a qual será fixado o extensômetro. Neste caso, as deformações lidas não corresponderão às reais deformações experimentadas pela amostra durante o teste uma vez que o extensômetro estará fixado sobre essa inclusão rígida. A adoção de anéis de suporte apoiados nos pratos da máquina de testes associados à LVDT’s (Linear Variable Differencial Transformers) possibilita superar esta dificuldade experimental. Triaxial Test - A realização de ensaios triaxiais enfrenta as mesmas dificuldades anteriormente mencionadas acrescidas de uma em especial quando são utilizados extensômetros elétricos de resistência para a medição das deformações. Neste caso a pressão de câmara ou pressão de confinamento (σ3) atua sobre os extensômetros. Há também a atuação da membrana que reveste

o corpo de prova e que se deforma com essa pressão. Esses fatores afetam a sensibilidade transversal dos extensômetros elétricos, induzindo erros nos dados adquiridos. O arranjo de sensores sugerido para a medição das deformações é o mesmo já mostrado para os ensaios de compressão uniaxial. Direct Shear Test – Nestes ensaios a distribuição de tensões no corpo de prova varia com o deslocamento relativo entre as caixas metálicas às quais está solidarizada a amostra. Somente equipamentos mais recentes permitem mitigar este efeito deslocando a linha de ação da força normal à medida que o ensaio evolui. Este arranjo, quando se trata de amostras provenientes de sondagens com pequenos diâmetros, resulta em um sistema instável que propicia o aparecimento de tensões de tração que passam a atuar sobre a amostra durante o transcorrer do ensaio. Essas tensões de tração podem, em muitos casos, condicionar degraus que se estabelecem na estratificação e que são visíveis na superfície de ruptura. A Fig. 5 mostra uma superfície de ruptura com os degraus mencionados em amostra de sondagem rotativa com diâmetro NW, cerca de 54 milímetros.

Figura 4. Dispositivo utilizado em ensaios de amostras de pequenas dimensões.

SBMR 2014

Adicionalmente, essa instabilidade do sistema ocasiona uma grande dispersão dos resultados obtidos, sejam valores de resistência de pico sejam valores de resistência residual. Assim, um maior número de amostras deverá ser ensaiado de forma a prover a possibilidade de estabelecer uma envoltória de resistência por entre os pontos correspondentes aos valores de resistência.

5. ENSAIOS IN SITU

Ensaios de infiltração – Estes ensaios podem ser realizados por meio de duas técnicas básicas: ensaios em furos de sondagem e ensaios em cavas ou trincheiras com geometria padronizada. No primeiro caso as sondagens deverão ser executadas sem a utilização de lama para a estabilização da parede do furo de forma a preservar a porosidade da rocha exposta na parede do furo.

Figura 5. Superfície de ruptura com pequenos degraus estabelecidos nos estratos.

A execução das cavas pode dar origem a algumas dificuldades durante sua preparação pois as rochas podem apresentar cimentações localizadas ou concreções que conferem ao local uma maior resistência ao entalhe, podendo

acarretar desvios em relação à geometria original a ser seguida. A escolha sobre qual método deverá ser utilizado somente poderá ser feita após uma detalhada inspeção nas amostras disponíveis. Ensaios de perda d’água sob pressão ou ensaios Lugeon – A execução desses ensaios em rochas do tipo enfocado neste texto requer a observância de alguns cuidados. O primeiro deles é não executar a sondagem com a utilização de lama bentonítica ou com qualquer outro aditivo de forma a não obstruir os poros da rocha expostos na parede do furo. Nos trechos de sondagens selecionados para essas determinações deve-se privilegiar a exposição da rocha na parede do furo em detrimento da qualidade da amostragem. O outro cuidado a ser observado é em relação à pressão aplicada aos obturadores. Se excessiva, pode originar fissuras na rocha e não prover o adequado isolamento do trecho a ser testado. Se deficiente, pode não prover o isolamento mencionado pelo estabelecimento de fluxo através da porosidade da rocha adjacente aos obturadores. Ensaios de deformabilidade – Estes ensaios exigem uma rigorosa regularização, frequentemente executada com utensílios manuais, da superfície na qual se apoiará a placa de aço. Em seguida a essa regularização uma película de calda de cimento deverá ser aplicada à superfície. Imediatamente após essa aplicação a placa deverá ser depositada sobre a calda de forma a prover uma perfeita ligação placa/rocha e, por consequência, uma adequada transferência das solicitações impostas à superfície rochosa. A obtenção de pontos de fixação para a estrutura de reação, com frequência, é obtida mediante a instalação de ancoragens nas circunvizinhanças da área de ensaio. Neste caso, as ancoragens deverão situar-se de forma a não interferirem no volume de rocha afetado pelo ensaio e, em função da fragilidade das rochas aqui consideradas, possuírem trechos de ancoragens capazes de resistirem com segurança às cargas que serão aplicadas nos ensaios. Direct shear test – Nestes ensaios o entalhe do bloco é conseguido mediante a utilização de serras circulares com discos dotados de

SBMR 2014

diamantes. A operação, às vezes, é executada sem a circulação de fluido de refrigeração para o disco de maneira a não desagregar a rocha. Uma vez entalhado o bloco, uma carapaça de concreto armado deverá ser sobreposta ao mesmo de forma a propiciar a distribuição das tensões normais e de cisalhamento que serão aplicadas. O dimensionamento dessa carapaça deverá der objeto de projeto próprio para cada caso. Também aqui, a obtenção de pontos de fixação para a estrutura de aplicação da força normal, é obtida mediante a instalação de ancoragens nas circunvizinhanças da área de ensaio. Também neste caso, as ancoragens deverão situar-se de forma a não interferirem na superfície de rocha onde se dará o cisalhamento e, possuírem trechos de ancoragens capazes de resistirem às cargas que serão aplicadas nos ensaios. Determinação de tensões in situ – De interesse restrito devido ao tipo de maciço rochoso em questão, essas determinações sempre demandam a utilização de equipamentos especialmente desenvolvidos para tal fim. No caso do Brasil, a bibliografia especializada registra uma determinação de tensões in situ realizada em maciço arenítico utilizando almofadas planas de pequena área (small flat jack), Ferraz e Armelin (1981). Nessa determinação foram utilizadas almofadas especialmente desenvolvidas para essa aplicação. Eram almofadas de acrílico, com 1 milímetro de espessura de parede e capazes de suportar uma pressão não confinada de até 0,5 MPa, de forma a se dispor de um dispositivo com sensibilidade necessária à medição de baixos níveis de tensão, o que não podia ser conseguido com as tradicionais almofadas de aço. O método de emprego dessas almofadas e a obtenção dos valores das tensões é assunto amplamente difundido na bibliografia que trata da Mecânica das Rochas.

6. CONSIDERAÇÕES

Essas breves considerações remetem a algumas questões pertinentes a rochas com as características aqui descritas: A amostragem dessas rochas requer cuidados especiais para a garantia de uma boa qualidade das amostras extraídas; No caso de sondagens rotativas considera-se adequada a perfuração com diâmetro mínimo igual ao diâmetro NW ou maior, empregando-se fluido de perfuração com lama bentonítica ou equivalente; As correlações estabelecidas a partir de dados obtidos com o martelo de Schmidt ou com o Point Load Test devem ser consideradas com ressalvas ou mesmo evitadas, sempre que possível; Para fins de estabelecimento de classificações geotécnicas é preferível utilizar limites obtidos diretamente dos ensaios de compressão uniaxial; Nos ensaios executados em laboratório, pequenos detalhes podem significar o sucesso ou o insucesso na obtenção de parâmetros confiáveis; Os ensaios in situ, que normalmente envolvem elevados custos e logística complexa, podem exigir, além disso, a pesquisa e o desenvolvimento de dispositivos adequados a cada caso.

AGRADECIMENTOS

O autor expressa seus agradecimentos a FURNAS Centrais Elétricas S.A. por possibilitar a elaboração desse artigo.

REFERÊNCIAS

Ferraz, J. L. & Armelin, J.L. – Sobre a Determinação do Estado de Tensão Atuante em Maciço Sedimentar por meio de Macacos Planos de Pequena Área – ABGE, Associação Brasileira de Geologia de Engenharia - Informativo nº 22, pp. 6, 7 – São Paulo, Brasil – 1981.

SBMR 2014

Ulusay, R.& Hudson, J.A. - The Complete ISRM

Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 1974-2006 – ISRM Turkish National Group on behalf of the ISRM – Ankara, Turkey – 2007.