Apostila Mecanica Das Rochas

Embed Size (px)

Citation preview

CAPITULO 1 - INTRODUO A MECNICA DAS ROCHAS Introduo: Rochas so materiais slidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matria mineral ou minrios, que se apresentam em grandes massas ou fragmentos. As principais propriedades que distinguem uma rocha de um solo so a coeso interna e a resistncia a trao. A coeso interna a fora que liga as partculas umas as outras (ligao entre os tomos). Este valor difere da coeso aparente, que resultante do atrito entre as partculas quando submetidas s foras de cisalhamento. Exemplo de coeso nula a areia, mas pode apresentar coeso aparente de 4,34 kg/cm. A resistncia a trao pode ser nula num solo. Mas entre o solo e a rocha pode existir uma trao uniaxial de 1MPa. A rocha, como o solo, um material bastante distinto de outros materiais da engenharia, por isso os projetos em rochas so bastante especiais. A mecnica das rochas se desenvolveu mais lentamente que a mecnica dos solos, pelo simples fato de a rocha ser considerada mais competente que o solo e gerar menor nmero de problemas com fundaes ou estruturas. A mecnica, de uma forma geral, estuda a resposta de um material a uma solicitao qualquer. A mecnica das rochas tem como finalidade estudar as propriedades e o comportamento dos macios rochosos submetidos a tenses ou variaes das suas condies iniciais. Histrico: Desde a pr-histria, as rochas e os macios rochosos vm sendo utilizados pelo homem para a fabricao de ferramentas, casas, fortificaes e at mesmo tneis. Os templos e as pirmides do Egito, como por exemplo, a Pirmide de Queps, construda com mais de dois milhes de blocos de calcrio h 4700 anos. As principais barragens do Egito e do Iraque, que datam de 2900 A.C., so testemunhos das refinadas tcnicas de seleo, corte e trabalho empregadas pelos homens na antiguidade. Apesar das centenas de anos de experincia, foi somente nestas ltimas dcadas que a mecnica de rochas passou a ser reconhecida como uma disciplina regular dos programas de engenharia, a partir de 1960. O anel interno deste diagrama representa o estudo de casos individuais, tais como a implantao no macio rochoso de fundaes, poos, furos de sondagem, cavernas e taludes. Campo de Aplicao: As rochas so utilizadas pelo homem para fabricao de armas, ferramentas e utenslios. Este material muito usado para construo de casas, tneis, fortificaes, esculturas entre outros. As reas de atuao so classificadas como: i) Atividades de superfcie (100m): minas subterrneas, tneis, cavernas hidreltricas, aproveitamento de energia geotrmica. iii) Atividades especiais: engenharia do petrleo, engenharia geotcnica, armazenamentos em cavernas(petrleo, gua, resduos radioativos, etc.). Os projetos de engenharia de rochas podem ser agrupados em sete categorias: (a) fundaes: as rochas so um excelente material de fundao, mas podem ser fraturados e alterados. necessrio estabelecer a competncia da rocha em relao a sua capacidade de suportar a carga para nveis tolerveis de deformao. (b) taludes: a mecnica das rochas pode identificar o risco de ruptura do talude rochoso, seja por tombamento, flexo, em cunha ou em plano; (c) tneis e poos: a estabilidade de tneis e poos depende da estrutura da rocha, estado de tenses, regime de fluxo subterrneo e tcnica de construo; (d) cavernas: o projeto de construo de grandes cavernas influenciado pela presena e distribuio das fraturas do macio rochoso; (e) minerao: a mecnica das rochas influi sobre os mtodos de minerao, com a finalidade de se obter uma1

maior extrao de minrio, utilizando-se um mnimo de suporte artificial das galerias; (f) energia geotrmica: a produo de energia geotrmica obtida pela percolao de gua, injetada no furo, atravs das fraturas da rocha-reservatrio naturalmente aquecida e a posterior recuperao por outro furo de sondagem. Este sistema depende da interao entre as fraturas do macio, tenses in situ, condies de fluxo, temperatura e tempo; (g) armazenamento de rejeitos radioativos: o isolamento dos materiais radioativos em relao biosfera requer o estudo das fraturas do macio, capacidade de absoro das superfcies das fraturas, tenses in situ, condies de fluxo, temperatura e tempo.

Figura 1: representao grfica de projetos de mecnica da rochas CAPITULO 2 DEFINIES E PROPRIEDADES Em funo das caractersticas dos materiais, a anlise do comportamento rochoso geralmente complexa, exigindo o estudo das propriedades fsicas e mecnicas das rochas. Rochas: so todos os materiais geolgicos slidos consolidados, constitudos por minerais, e que se apresentam em grande massa ou em fragmentos. Apresenta descontinuidade escala ultramicroscpica da ordem de 10-8 mm (em nvel de tomos e redes cristalinas), microscpica da ordem de mm (por ex: microfissuras, microdobras, unio entre os gros, etc.) e macroscpica da ordem de mm-cm (amostra de mo), tais como: estratificao, xistosidade, dobras fraturas, etc. Rocha intacta: a poro da massa rochosa, livre de descontinuidades, sobre a qual se verificam propriedades de resistncia mecnica do material rochoso.2

Rocha frgil: aquela que apresenta ruptura frgil. Esta definida a partir do ponto em que a capacidade de resistir s cargas diminui simultaneamente com aumentos de deformao. Rocha dctil: um material dito dctil quando ele pode apresentar deformaes permanentes sem perder sua capacidade de resistncia. Coeso: refere-se fora que une as partculas das rochas. Rochas coerentes: gnaisses, granitos e basaltos (no decompostos). Rochas incoerentes: terra e areia. Dureza: a resistncia oferecida pela rocha penetrao de uma ferramenta mineira. Elasticidade: a mudana de forma ou volume de uma rocha, quando submetida a foras externas, retornando, em seguida, s condies iniciais, quando retiradas as foras que causaram a deformao. Plasticidade: a propriedade que tem a rocha de tomar qualquer forma, quando submetida a foras externas, e conservar esta forma, mesmo depois de removida a causa da deformao. densidade da rocha intacta: a massa por unidade de volume da rocha, expressa em g/cm3, t/m3 etc. Obs.: - as rochas de baixa densidade se deformam e rompem com facilidade, requerendo um fator de energia relativamente baixo. M EXEMPLOS: GNAISSE: 2,9 T/M3 D = 3 V GRANITO: 2,7 T/M QUARTZITO: 2,6 T/M3 As rochas densas precisam de uma maior quantidade de energia para obter uma fragmentao satisfatria. Resistncia das rochas: as resistncias estticas compresso e trao como parmetros indicativos da aptido da rocha ao desmonte. Porosidade: a razo entre o volume interno do espao aberto (poros, interstcios ou vazios) e o volume total da rocha, isto : Obs.: a porosidade provoca os seguintes efeitos nos desmonte de rochas: Atenuao da onda de choque; Reduo da resistncia dinmica compresso e, conseqentemente, incremento da triturao e percentagem de finos.Porosidade = Vp (Vp + Vg )

SENDO: VP= VOLUME DOS POROS; VG= VOLUME DOS GROS.

Mdulo de Young: a relao entre a tenso ( ) e a deformao ( ) sofrida pela rocha, isto : sendo a deformao uma relao entre dimenses ou entre ngulos, entende-se que uma quantidade adimensional. O mdulo de Young, tambm conhecido como mdulo de elasticidade; como nas rochas nem sempre se observa o comportamento elstico, tem sido uma tendncia da designao o mdulo de deformao para esta E =

=

L L

=

propriedade. Coeficiente de Poisson: a relao entre a deformao lateral ( t) e a deformao longitudinal ( l), sofrida pela rocha, isto :

=

T L

CHAMA-SE N DE POISSON (M) AO INVERSO DO COEFICIENTE DE POISSON:

m =

1

Tenso: uma grandeza fsica derivada de outra grandeza, a fora. No podem ser medidas diretamente, mas estimadas pelos seus efeitos, a deformao. O termo tenso envolve dois conceitos: tenso em um plano e tenso em um ponto. O primeiro matematicamente definido como o quociente entre fora (grandeza vetorial) e rea (grandeza escalar). A componente paralela ao plano de cisalhamento, enquanto a normal ou

= F/A

aplicao da fora denominada de tenso de perpendicular, tenso de distenso ou de3

compresso, dependendo do seu sentido. A tenso em um ponto tambm denominada estado de tenso ou simplesmente tenso, uma grandeza (tensorial) que permite a descrio do vetor tenso, em qualquer plano contendo o ponto considerado. A tenso natural que ocorre nas rochas o resultado de uma complexa interao entre as aes de esforos gravitacionais (peso das camadas sobrejacentes), esforos tectnicos (atuao de placas litosfricas), variao de energia trmica e processos fsico-qumicos (recristalizao de minerais, absoro de gua e do lenol fretico, etc). A tenso induzida decorre de perturbaes das rochas causadas pelo homem, ou seja, o estado de tenso decorrente da redistribuio de tenses preexistentes devido perturbao dos macios com a implantao de obras de engenharia. A tenso residual por vezes utilizado para qualificar o estado de tenso remanescente no macio rochoso ao trmino do mecanismo que lhe deu origem. O estado de tenso regional empregado para caracterizar o estado de tenso em um domnio geolgico relativamente amplo enquanto a tenso local refere-se a um domnio geolgico mais restrito s obras de engenharia. A unidade normalmente utilizada para a tenso o Mpa. Material rochoso: o material constituinte dos blocos de rocha, delimitados pelas descontinuidades do macio rochoso. Depreende-se da, que o material rochoso inclui como propriedades fsicas e mecnicas a densidade, porosidade, coeso, dureza, resistncia mecnica, mdulo de elasticidade e forma de ruptura. Macio rochoso: a concepo de macio rochoso confunde-se com a prpria definio de rocha: o material slido da crosta. Nessa acepo, o macio rochoso ou massa rochosa inclui, alm do tipo litolgico, todas as suas descontinuidades, tais como: sistemas de juntas, planos de acamamento, xistosidades e falhas. um material constitudo de rocha intacta e fraturas que o compartimentam. Portanto, a caracterstica geotcnica do macio a caracterizao e descrio geotcnica das fraturas. Deformao: so os movimentos de massas rochosas que causam mudana de forma, orientao, volume e/ou posio, devido aplicao de foras tectnicas ou foras atectnicas (principalmente as gravitacionais). Resistncia de um material a capacidade de absorver a tenso sem sofrer deformao (ruptura, por exemplo, como nos ensaios de laboratrio). Para se ter uma noo de grandeza da resistncia veja a resistncia dos seguintes materiais: Rocha dura ou intacta (20 a 300 mp), Rocha branda ou alterada (1,0 e 20 mp) Quanto ao macio, podemos dizer que a sua resistncia uma funo da resistncia da rocha intacta, da descontinuidade e dos macios rochosos que se encontram entre um mximo e um mnimo. Homogeneidade ou heterogeneidade: das rochas e dos macios est relacionadas constncia ou a variao espacial de suas propriedades mecnicas no volume considerado. Isotropia ou anisotropia: relativas constncia ou variao de suas propriedades mecnicas de acordo com a direo dos gros minerais ou a histria de tenso, no volume considerado. Em sntese, pode-se dizer que os macios rochosos so essencialmente heterogneos, anisotrpicos e descontnuos, e sua complexidade resulta da evoluo geolgica a que foram submetidos. De qualquer maneira a escala da poro do macio analisada em um estudo qualquer que se define a condio do meio, conforme ilustra a figura 2. As caractersticas que traduzem a qualidade dos meios rochosos associam-se, fundamentalmente, litologia, ao estado de alterao, coerncia e s descontinuidades. A definio de propriedades de resistncia e deformabilidade dos macios um problema mesmo com a existncia de ensaios in situ e complexa a caracterizao do macio rochoso devido ao seu alto custo e execuo.

4

Figura 2: Escala do macioCAPITULO 3 - DESCONTINUIDADES Descontinuidades: Segundo a Associao Internacional de Mecnica de Rochas (ISRM), o termo geral para qualquer descontinuidade mecnica, em um macio rochoso, que apresenta baixa ou nenhuma resistncia trao. Este o termo coletivo para a maioria dos tipos de diclases, juntas, planos de fraqueza do acamamento, planos de fraqueza da xistosidade, zonas de alterao ou de falhas. A figura ilustra estas definies atravs da representao fsico-simblica do efeito escala.

Figura 3:Efeito escala no macio rochoso Rochas duras: So rochas que apresentam resistncia uniaxial compresso de 100 250 mpa. Rochas brandas: So rochas que apresentam resistncia uniaxial compresso de 25 50 mpa. Solo ou alterao: Quando a resistncia uniaxial compresso do material menor do que 1 mpa. Resistncia compresso simples: pode ser definida como sendo a resistncia oferecida por uma amostra do material rochoso a um esforo de compresso uniaxial aplicado.5

Rocha de alta rigidez: elevada resistncia absorve alto nvel de tenso e pequena deformao. Ruptura normalmente sbita, repentina e violenta ocasiona golpes de terreno. Golpes de terreno : so estouros de rocha em locais submetidos a altas concentraes de tenso. Rocha muito rgida possui pequena capacidade de deformao. Rocha pouco rgida: possui capacidade de absorver alto nvel de tenses sem se deformar muito e reduzir a ruptura excessiva e mais lenta. Quando se deforma muito, perde a capacidade de absorver tenso. Descrio das descontinuidades: As descontinuidades desempenham um importante papel no comportamento dos macios rochosos. Com o intuito de padronizar o levantamento das descontinuidades a ISRM (1978) publicou uma sugesto de mtodo para descrio de descontinuidades de macios rochosos. So utilizados 10 parmetros: 1) Orientao: a atitude da descontinuidade no espao, podendo ser descrita pela direo do mergulho (azimute) e o mergulho da reta de maior declividade do plano da descontinuidade. A posio ocupada no espao por uma estrutura geolgica planar definida pela sua direo e pelo ngulo de mergulho, ou seja, a inclinao do plano. A direo definida pelo ngulo que a interseco do plano da descontinuidade, com o plano horizontal, faz com a direo norte. O mergulho o ngulo de inclinao do plano com o plano horizontal. A reta do mergulho a reta de mxima inclinao no plano, perpendicular direo.

Figura 4: Orientao de uma descontinuidade A orientao controla as possibilidades de condies de instabilidade e um nmero de deformaes excessivas. 2) Espaamento: considerado como a distncia perpendicular entre dois planos consecutivos de descontinuidades pertencentes a uma mesma famlia representando o espaamento mdio de uma famlia de juntas. O espaamento entre descontinuidades adjacentes controla o tamanho dos blocos individuais de rocha intacta. Descontinuidades com espaamentos maiores fazem que o macio tenha baixa coeso. O espaamento tem grande influncia na permeabilidade do macio e nas caractersticas de percolao. Descrio espaamento Extremamente prximos < 20mm Muito prximos 20 - 60mm Extremamente espaados > 6000mm obtido por meio de medidas efetuadas ao longo de uma direo determinada, que pode ser uma sondagem ou uma linha de levantamento sistemtico de descontinuidades em afloramentos. 3) Persistncia: a extenso do trao de uma descontinuidade como observado em um afloramento. A persistncia ou continuidade de uma fratura um parmetro ligado ao tamanho e forma geomtrica da estrutura e, por isso, profundamente afetada pela orientao e dimenso da superfcie rochosa.6

descrio muito baixa baixa mdia alta muito alta

persistncia 20m

Uma descontinuidade cujas extremidades no se encontram nos afloramentos denominada persistente. A persistncia de uma fratura condicionada, tambm, pela sua ordem de aparecimento em uma seqncia de eventos de fraturamento. As juntas mais recentes sempre apresentam a tendncia ou de se originar a partir de outra superfcie mais antiga, ou de se interromper nelas. No geral, so necessrias ao menos trs famlias sistemticas de juntas, razoavelmente contnuas, para a formao de blocos rochosos bem definidos. A figura ilustra aspectos da formao de blocos, em funo da persistncia dos sistemas de descontinuidades.

Figura 5: Persistncia em diferentes blocos 4) Rugosidade: a medida das irregularidades do relevo com relao ao plano mdio da descontinuidade. Irregularidades em grande escala so chamadas de ondulaes. A rugosidade e ondulao contribuem para a resistncia ao cisalhamento. Ondulaes em grande escala podem modificar o mergulho local. Em geral, as irregularidades no plano de uma descontinuidade se manifestam na escala da ordem de alguns metros, quando so caracterizadas como ondulaes, ou em dimenses milimtrica a centimtrica, quando so identificadas como rugosidade ou aspereza. 5) Resistncia das paredes: Refere-se resistncia a compresso das paredes adjacentes a uma descontinuidade. Esta resistncia deve ser menor que a da rocha intacta devido alterao das paredes proporcionada pela presena das descontinuidades. O grau de alterao prximo a superfcie das fraturas afetam a resistncia da mesma e se as paredes esto em contato, teremos uma importante componente da resistncia ao cisalhamento. 6) Abertura: a distncia perpendicular entre as paredes adjacentes de uma descontinuidade, cujo espao intermedirio preenchido por gua ou ar. Abertura < 0,1mm 0,1- 0,25mm 0,5- 2,5mm >1m descrio muito fechadas fechadas abertas cavernosas

A abertura das descontinuidades importante no estudo da percolao de gua no interior dos macios rochosos e caracteriza-se como o espao, vazio ou preenchido por gua, que separa suas paredes, distinguindose nesse aspecto eventuais preenchimentos ou mineralizaes que podem ocupar o plano da descontinuidade. A abertura atual de uma junta, todavia, no coincide necessariamente com sua abertura original, que pode7

ter sido modificada em estgios posteriores sua formao, como ocorre no processo de eroso ou de soerguimento dos macios quando a fratura trazida a nveis mais rasos. Os preenchimentos so importantes porque, dependendo de sua espessura, podem modificar ou controlar completamente a resistncia ao cisalhamento. Onde as paredes opostas no se tocam e o preenchimento ocupa todo o espao vazio entre as mesmas, a resistncia, a deformabilidade e a permeabilidade do material que preenche o macio rochoso.

Figura 7: Descontinuidades Abertas

Figura 6: Superfcies de preenchimento 7) Preenchimento: o material que separa as paredes de uma descontinuidade e que usualmente mais fraco que a rocha que lhe deu origem. Os materiais tpicos de preenchimento so: areia, silte, argila, brecha e milonito. Tambm inclui minerais secundrios e descontinuidade seladas, por exemplo: quartzo e veios de calcita. 8) Percolao: Fluxo de gua e umidade livre,visveis em descontinuidades individuais ou no macio rochoso como um todo. A percolao de gua no macio rochoso resulta principalmente do fluxo atravs de descontinuidades. 9) Nmero de Famlias: a quantidade de famlias que compem um sistema de juntas. O macio rochoso pode conter tambm descontinuidades individuais.

8

10) Tamanho de Blocos: So as dimenses dos blocos de rocha que resultam da orientao das famlias de juntas que se interceptam e do espaamento das famlias individuais. Descontinuidades individuais podem influenciar o tamanho e a forma dos blocos. CAPTULO 4 CLASSIFICAO DOS MACIOS ROCHOSOS Introduo: Durante as fases de estudo de viabilidade e projeto preliminar de uma obra, quando so disponveis poucas informaes detalhadas sobre o macio rochoso, seu estado de tenses e caractersticas hidrolgicas, o uso das classificaes geomecnicas pode ser considerado benfico. As classificaes podem ser vistas como um checklist para assegurar que todas as informaes relevantes vo ser consideradas. Por outro lado, as classificaes podem ser usadas para elaborar uma viso da composio e caractersticas do macio e prover estimativas iniciais do suporte de escavaes, alm de prover estimativas de propriedades de resistncia e deformabilidade para o macio rochoso. De forma geral, uma classificao geomecnica consiste em dar notas s diversas caractersticas do macio. Os principais objetivos dos sistemas de classificao so: 1) Identificar os principais parmetros que influenciam o comportamento do macio rochosos; 2) Dividir uma formao rochosa particular em zonas de comportamento similar; 3) Prover uma base para compreenso das caractersticas de cada macio rochoso; 4) Relatar experincia das condies de um macio em um local com experincia encontrada em outros; 5) Obter dados quantitativos e orientaes para o projeto; 6) Prover uma base comum para comunicao entre diversas reas. Os macios rochosos podem ser descritos pelos seguintes adjetivos, para dar uma viso do tamanho do bloco e forma. Compacto: poucas juntas ou com espaamentos muito grandes. Em blocos: aproximadamente equidimensionais. Tabular: uma das dimenses consideravelmente maior que as outras duas. Irregular: variao grande de tamanho e forma dos blocos. Fragmentado: densamente diaclasado at a forma de pequenos cubos.

Figura 8: Macios rochosos e diclases

9

CAPITULO 5 - ROCHA INTACTA Classificao: Nesta classificao, a rocha isenta de descontinuidades a escala megascpica e regional. Se a classificao for basicamente geolgica dar uma idia do material com que esta lidando. A rocha gnea possuir anisotropia pouco marcante, apenas existente em pequenas direes e resultante da orientao dos cristais. A rocha metamrfica, como por exemplo, folhelhos, filitos ou xistos, a anisotropia ser muito desenvolvida. Em se tratando de rochas sedimentares, como calcrios, gesso e sal gema, deve-se associar logo a existncia de cavidades no interior do macio, devido dissoluo da rocha, pelas guas de infiltrao e ou que percolam pelo seu interior. A classificao geotcnica diz respeito resistncia compresso simples e uma idia da possvel resposta mecnica da rocha, as solicitaes, impostas pelas obras que se desenvolve no macio. Nunca deve ser esquecido, que o material ensaiado em um pequeno corpo de prova, regra geral, no representativo do macio. As zonas de fraqueza do macio, tais como, zonas de alterao, fraturas e outras descontinuidades estruturais, raras vezes esto representadas nessas pequenas amostras, devido pequena escala dos corpos de prova. Isto significa que os valores adquiridos nesses ensaios laboratoriais, so bem maiores que os do macio onde a rocha foi colhida. H ento, que ser cuidadoso, quando se pretende aplicar os dados laboratoriais de resistncia compresso, porque a sua aplicao poder levar a um fator de segurana relativamente alto, quando na realidade, o macio apresentar um fator de segurana que poder estar prximo da rotura, devido s fraquezas existentes e que tem um papel desfavorvel. Uma das classificaes geolgicas apresentadas, aps exaustivo estudo das suas propriedades mecnicas, foi a de Handin (1966), que agrupou as rochas mais comuns em sete tipos litolgicos. Tabela 1.

Tabela 1: Classificao por Hadin, 1966

10

O sistema de classificao que tem maior importncia aquele que baseado em valores numricos. Coates e Parsons (1966) classificaram a rocha intacta baseados na resistncia compresso e parmetros de deformabilidade. Dividiram a rocha em trs categorias: branda (173 mpa). Quanto deformabilidade e antes da rotura classificaram as rochas como: Elsticas: se no apresentarem fluncia a 50% da sua resistncia a compresso simples; Viscosas: se as rochas apresentarem fluncia a 50% da resistncia a compresso simples. Quanto a rotura, os autores classificaram a rocha em: Frgil: se a rotura repentina, Plsticas: se a rotura por fluxo (25% da deformao total permanente antes da rotura). Esta classificao til quando se classificam as rochas para perfurao, britagem, exploses subterrneas ou fragmentao em pequena escala e em rochas macias sem fraturas. Vrios autores apresentaram outras classificaes baseadas na resistncia compresso simples. Entre esses autores, pode-se destacar a classificao de Deere e Miller (1966) que foi aceito mais ou menos bem universalmente e faz parte da Tabela 2. A classificao apresentada determinada em amostras com uma razo altura/dimetro maior que 2. Na classe a, se incluem os quartzitos, doleritos, gabros, diabsico, basaltos densos e rochas gneas de gro fino. Na classe b, se incluem as rochas gneas de gro grosseiro (granitos e granodioritos), rochas metamrficas muito resistentes, alguns arenitos muito resistentes, calcrios e dolomitos. Na classe c, se incluem a maior parte dos folhelhos, arenitos de resistncia mdia, calcrios e rochas metamrficas com xistosidade bem evidenciada como xistos clorticos, micceos ou talcosos. na classe_d, se incluem os carves e siltitos. na classe e, se incluem os argilitos, folhelhos argilosos, rochas salinas ( sal gema, gesso e potssio), giz e rochas alteradas.

Tabela 2: Classificao Deere e Miller, 1966

11

CAPITULO 6 - INTEMPERISMO Grau de intemperismo das rochas: a alterao da superfcie rochosa como resultado da reao de gases atmosfricos e solues aquosas. O processo de intemperismo leva a alteraes fsicas, qumicas e biolgica, e a uma reduo da resistncia da rocha. A amplitude do intemperismo depende dos seguintes aspectos: a) natureza da rocha matriz (mineralogia); b) condies trmicas, fsicas e qumicas; c) tempo de ao do processo. O intemperismo ser exemplificado em dois tipos: i) intemperismo fsico: Envolve alteraes mecnicas e ruptura da rocha e pode se manifestar atravs das seguintes aes: Alivio de tenses no macio rochoso - a reduo das tenses pode gerar: o fraturamento do macio; Insolao - rocha exposta a altas temperaturas durante o dia sofre expanso trmica podendo gerar aumento significativo de tenses que eventualmente produzem o fraturamento; Ciclos de umedecimento / secagem - influncia dos minerais expansivos (argilas) da rocha; Ao erosiva do vento e da gua - no rio de janeiro, por exemplo, os macios rochosos expostos a desplacamentos resultantes da percolao de gua atravs das juntas; Ao de escavaes mecnicas. ii) intemperismo quimico: Envolve vrios processos qumicos, do tipo dissoluo, lixiviao, oxidao, reduo, hidratao e troca de ons, que atuam sobre os minerais constituintes das rochas. Estes processos dependem de: Facilidade de acesso da gua e ar no material rochoso; Reatividade do macio rochoso em relao gua; Tempo; Grau de agressividade da gua.

12

Figura 9:Processo de intemperismo13

Alterabilidade: Os minerais constituintes de rochas gneas e metamrficas, formados em altas temperaturas ou altas presses, tornam-se instveis quando expostos superfcie. Estes minerais tm maior tendncia alterao. Aqueles relativamente estveis, como o quartzo, ouro, platina e diamante, so transportados e sedimentam-se, podendo originar depsitos com valor econmico. Exemplos de alterabilidade dos vrios tipos de rochas: i) rochas gneas e metamrficas: Os minerais apresentam diferentes graus de resistncia ao intemperismo. Apresenta-se, a seguir, a ordem crescente dos minerais presentes ao intemperismo: Feldspato ca (olivinas) feldspato na (piroxnios) anfiblios mica biotita mica muscovita quartzo Por exemplo, os granitos, tm alto teor de quartzo, so menos suscetveis ao intemperismo que os basaltos. Os doleritos apresentam altos teores de olivina, piroxnio e anfiblios, menos resistentes alterao. ii) rochas sedimentares: Os arenitos e os argilitos sofrem o intemperismo principalmente nos materiais cimentantes e de simples preenchimento de poros, podendo, em funo do grau de alterao, reproduzir novamente o material original sedimentar, isto , areia ou argila. Observa-se, portanto, que a alterao dos macios rochosos conseqncia da ao conjunta de processos de intemperismos fsico e qumico. No Brasil, os solos residuais maduros e jovens constituem uma ocorrncia muito comum. Os solos residuais do Rio de Janeiro, por exemplo, provm do intemperismo de granitos - gnasse. Em geral, o processo de intemperizao destas rochas granticas se inicia atravs da entrada de gua pelas fraturas do macio rochoso. Os feldspatos e outros minerais menos resistentes so atacados formando sais solveis de Na, K, Fe, Mg e Slica livre, os quais so lixiviados da regio de intemperizaao restando, portanto, as argilas e o quartzo. A rocha intemperizada se transforma em saprlito cujo aspecto se assemelha ao da rocha me, porm apresenta uma resistncia de solo denso. Na engenharia, o grau de intemperismo do macio pode ser identificado e caracterizado atravs da anlise da alterao mineral, medida de porosidade e resistncia das diversas zonas (camadas) do perfil. A figura apresenta esquematicamente um perfil de alterao de rocha, onde so observadas as diversas zonas intemperizadas e ss do macio.

14

Figura 10:Diagrama de alterao do macio rochoso

Tabela 3: Perfis de alterao propostos por diversos autores

15

Tabela 4: perfil de intemperismo de rochas gneas e metamrficas

16

Propriedades - ndice das rochas: A determinao das propriedades fsicas importante para a caracterizao da rocha e representa uma grande compreenso do comportamento geotcnico do material. Algumas propriedades fsicas podem ser usadas para descrever a rocha quantitativamente. Estas refletem na estrutura, composio, fbrica e comportamento mecnico, e esto descritas abaixo: Densidade Porosidade Teor de umidade Velocidade de propagao do som Permeabilidade Durabilidade Resistncia Nas aplicaes que envolvem escavaes superficiais ou subterrneas, so necessrias informaes adicionais sobre o sistema de descontinuidade tanto ou mais que a natureza da rocha propriamente dita. A rocha, de modo similar ao solo, composta por trs fases: Minerais slidos; gua e/ou ar; Poros.

Tabela 5: Descrio quantitativa de descontinuidades

17

Tabela 6: Classificao geotcnica de alterao de rochas.18

CAPITULO 7 - ESTABILIDADE DE TALUDES Introduo: Em obras como estradas, fundaes e barragens em rocha, h necessidade de se estimar o grau de estabilidade dos taludes de rocha naturais e construdos pelo home. Um talude uma superfcie de fronteira entre o ar e a rocha, vertical ou inclinada, ou o corpo de uma obra de terra, como uma barragem ou um aterro. O conceito estabilidade de um talude indeterminado, j que taludes feitos sobre ou de rochas ou solos no fornecem garantia de estabilidade por muitos anos. Condies climticas, hidrolgicas e tectnicas, atividades humanas na rea imediata ou adjacente a estrutura, escavaes subterrneas ou obras de terra podem trazer, anos mais tarde, mudanas que afetam a estabilidade dos taludes naturais e escavados pelo homem. No se pode desprezar a possibilidade de a rocha ou o solo tornar-se saturado por gua ao longo do tempo. As condies de estabilidade, exigidas para os taludes da minerao, diferem daquelas de outros aludes de obras civis, basicamente, pela dinmica da escavao, pelo porte dos mesmos, atingindo alturas de centenas de metros e extenso de quilmetros e, ainda, pelas condies peculiares da minerao, tais como fatores de segurana menores, aceitao de rupturas localizadas, convivncia com vibraes causadas por desmonte por explosivos, rebaixamento do nvel dgua buscando taludes mais ngremes, possibilidade de experimentao de ngulos de talude medida do avano da lavra, etc. Por outro lado, h tambm aspectos tpicos de minerao que dificultam os estudos como, por exemplo, o fato de sempre se dispor de informaes do corpo do minrio. Enquanto que das encaixantes, representando o estril que ser cortado pelos taludes finais, praticamente no h dados. Alm disso, s vezes, a experimentao s possvel em materiais que no representam aqueles a serem expostos no talude final. Os condicionantes geolgicos, na estabilidade de taludes de minerao, so fartamente mencionados, representados por gua. Fraturas, falhas, zonas de cisalhamento, ondulaes, foliao/acamamento, veios e intruses, litologia e perfil de intemperismo. As fraturas, falhas e zonas de cisalhamento se evidenciam, condicionando as superfcies de ruptura, interferindo na distribuio e percolao da gua subterrnea e afetando a propagao das ondas nos desmontes com explosivos. H escorregamentos que ocorrem condicionados por um plano de fratura ou at trs planos. As ondulaes se constituem em fator favorvel estabilidade dos taludes da minerao aumentando a resistncia ao cisalhamento das rochas. Entretanto, h casos em que as ondulaes, ou dobras, so muito pronunciadas, resultando em ruptura da rocha por trao, junto s cristas das dobras. Estas rupturas so planas de fraqueza, que reduzem a estabilidade dos taludes. O efeito da gua como agente estabilizador dos taludes significativo, seja reduzindo a tenso efetiva, na forma de presso neutra, seja pela percolao, ou ainda saturando os terrenos e aumentando o seu peso.

Figura 11: Desenho esquemtico de escorregamento 19

CAPITULO 8: MOVIMENTOS DE MASSA Introduo: As condies geolgicas, geomorfolgicas e climticas de uma regio podem ser fatores predisponentes ocorrncia de movimentos de massa. A esses fatores, juntam-se outros chamados efetivos, que iro preparar e efetivar as ocorrncias. A cidade de ouro preto enquadra-se bem neste contexto pelas suas caractersticas gerais. As formaes rochosas existentes, metassedimentos com planos de descontinuidades bem marcantes (xistosidade, foliaes, acamamentos) e pouco resistentes, condicionaram o desenvolvimento de um relevo acidentado, com vertentes ngremes, vales profundos e praticamente ausncia de reas mais planas. As condies climticas, com perodos de chuvas intensas e prolongadas completam o quadro de predisposio ao desenvolvimento de processos desestabilizadores e erosivos, que iro se efetivar pelo desmatamento, a m ocupao do solo e os episdios chuvosos que ciclicamente atingem a cidade. Os movimentos de massa em reas urbanas no Brasil ocorreram em vrias cidades, com vtimas fatais e danos materiais da ordem de milhes de dlares, podendo-se citar, como os mais importantes acidentes ocorridos no Brasil, os seguintes:

Santos/SP em 1928, com 60 mortes e destruio da santa casa de santos; Rio de Janeiro/RJ em 1956, com 43 mortes e destruio de 100 casas; Caraguatatuba/SP em1966, com 100 mortes; Serra das Araras/SP, em 1967, com 1200 mortes e destruio de dezenas de casas;, Salvador/BA em 1971, com 104 mortes e destruio de 60 moradias; Petrpolis/RJ em 1988, com 171 mortes e interdio de 1100 moradias;

Agentes e causa: Entende-se por causa o modo de atuao de determinado agente ou, em outros termos, um agente pode se expressar por meio de uma ou mais causas. o caso, por exemplo, do agente gua, que pode influir na estabilidade de uma determinada, massa de material das mais diversas formas: no encharcamento do material. Tipos de agentes: - Predisponentes: trata-se de um conjunto de caractersticas intrnsecas, funo apenas de condies naturais, nelas no atuando, sob qualquer forma, a ao do homem. Pode distinguir: complexo geolgico (acidentes tectnicos, atitude das camadas), complexo morfolgico (massa e forma do relevo), complexo climtico-hidrolgico (clima e regime e gua subterrnea), gravidade, calor solar ou tipo de vegetao original. - Efetivos: conjunto de elementos responsvel pelo deslocamento do movimento de massa incluindo-se a ao humana. Estes deslocamentos subdividem-se em: Preparatrios pluviosidade, eroso pela gua ou vento, congelamento e degelo, variao de temperatura, dissoluo qumica, desflorestamento. Imediatos chuva intensa, fuso de gelo e neve, eroso, terremotos, ondas, vento, ao do homem, etc. Tipos de causa: - causas internas: so as que levam ao colapso sem que se verifique qualquer mudana nas condies geomtricas dos taludes e que resultam de uma diminuio interna ao material. - causas externas: provocam um aumento das tenses de cisalhamento sem que haja diminuio da resistncia do material. - causas intermedirias: resultam de efeitos causados por agentes externos no interior do talude. 1) Causas internas Efeito de oscilaes trmicas: oscilaes trmicas dirias ou sazonais provocam variaes volumtricas em massas rochosas, podendo conduzir a destaque de blocos. Num bloco de material colocado sobre um plano horizontal, contraes e dilataes de origem trmica ocorrem simetricamente em relao ao seu eixo e distribuem tambm as tenses de cisalhamento na superfcie de contato com o plano. Diminuio dos parmetros de resistncia por intemperismo: o processo de alterao por intemperismo leva a um enfraquecimento gradual do meio rochoso, ou terroso, no qual ocorre, pela remoo dos elementos solveis constituintes dos prprios minerais, pela dissoluo dos elementos com funo da cimentao em solos ou rochas sedimentares, pelos desenvolvimentos de uma rede de microfraturas num meio rochoso que no as possua.20

2) Causas externas Mudanas na geometria do sistema: uma das causas das condies de instabilidade consiste em modificar as condies geomtricas da massa terrosa, ou rochosa, que esteja sendo analisada, acrescentando-lhe uma sobrecarga em sua poro superior, ou ento, retirando parte de sua massa na poro inferior. Efeitos de vibraes: agentes, como terremotos, o bater das ondas, exploses, trfego pesado, cravao de estacas e operao de mquinas pesadas, transmitem, invariavelmente, vibraes ao substrato. Mquinas pesadas induzem nos solos que lhes servem de fundao, vibraes de alta freqncia. Como a acelerao, fator principal da fora nociva resultante das vibraes, proporcional ao quadro da freqncia. Mudanas naturais na inclinao das encostas: as formas mais evidentes resultam de movimentos tectnicos que mobilizaram corpos de estruturas dobradas, conduzindo-os muitas vezes a fenmenos de desequilbrio. As formas mais conhecidas so as cadeias montanhosas, como os Andes, Himalaia entre outros sendo um escorregamento translacional, tambm chamado gravitacional. 3)Causas intermedirias: Elevao do nvel piezomtrico em massas homogneas: considerando uma massa saturada de rocha intensamente fraturada, solo ou sedimento a gua que ocupa os vazios se acha sob presso a mecnica dos solos conduz a seguinte concluso: - O potencial de escorregamento se situa numa camada de areia ou silte, a resistncia ao cisalhamento por unidade de rea, ser igual a: S = (p- a.h).tg P - presso num ponto p da superfcie potencial de escorregamento; H - altura piezomtrica no ponto; a - peso especfico da gua; - ngulo de atrito na superfcie de escorregamento Se o material possuir coeso por unidade de rea teremos: S= c + (p- a.h)tg Rebaixamento do lenol fretico: a expresso se refere a abaixamentos de gua numa razo de pelo menos 1m por dia, caso comum em reservatrios ou nas margens fluviais aps uma enchente. Se o nvel de uma massa de rebaixamento lento o lenol permanecer horizontal e a resistncia mdia ser dado como: S= c + (pi - a.hi)tg Sendo (pi - .hi) a presso efetiva em cada elemento de espessura unitria da superfcie de ruptura. Se rebaixamento forma rpido, a descida da superfcie piezomtrica no acompanhar o nvel de gua livre. Classificao dos movimentos de massa: Em termos gerais os movimentos de massa podem ser classificados em quedas, tombamentos, escorregamentos, que podem ser translacionais ou rotacionais, espalhamentos, escoamentos e movimentos complexos. 1) Queda de blocos: um movimento definido por uma ao de queda livre a partir de uma elevao, com ausncia de superfcie de movimentao. Ocorre em taludes com forte inclinao ou escarpas onde blocos de tamanhos variados se desprendem do macio por intemperismo e caem pela ao da gravidade. Movimentos das mais variadas propores incluem-se nesta categoria, desde a queda de um bloco isolado at o colapso de enormes complexos rochosos. A velocidade do movimento alta. 2) Queda de detritos: a movimentao de reduzidas massas de fragmentos terrosos ou rochosos, inconsolidados, ou pouco consolidados, em movimentos de pequena magnitude. Dentro dessa classe pode-se enquadrar o fenmeno da desagregabilidade de massas rochosas. Trata-se de um processo de propores limitadas, que no atinge o noticirio dos jornais por no ter efeito catastrfico, mas que produz contnuos efeitos nocivos a obras de drenagem de rodovias e ferrovias, bem como sua prpria manuteno. Consiste no destaque contnuo de fragmentos rochosos provocados por fenmenos de secagem e saturao sucessivas em rochas de baixa resistncia expostas ao longo de cortes artificiais.

21

Foto 1: Queda de Blocos e Detritos 3) Tombamentos: O tombamento um tipo de ruptura em taludes em macios rochosos com camadas ou descontinuidades de foliao regularmente espaadas. Ocorre quando as camadas esto inclinadas para dentro do talude. O tombamento comum em quartzitos, ardsias e xistos, em taludes de minas e em taludes naturais, mas ocorre tambm em finas camadas de sedimentos mergulhando fortemente, em descontinuidades colunares de origem vulcnica e em granitos com descontinuidades regulares.

Foto 2: Tombamentos ao longo de uma ferrovia 4) Escorregamentos: Escorregamentos so movimentos rpidos, de durao relativamente curta, de massas de terreno geralmente bem definidas quanto ao seu volume, cujo centro de gravidade se desloca para baixo e para fora do talude. Diferentes tipos de escorregamentos podem ser identificados em funo de sua geometria e da natureza do material que se torna instvel, podendo ser subdivididos em translacionais e rotacionais.

22

- Escorregamentos rotacionais: procede-se separao de uma certa massa de material do terreno, delimitada de um lado pelo talude e de outro lado por uma superfcie contnua de ruptura, efetuando-se ento a anlise de estabilidade dessa cunha. Assume-se uma forma simplificada de superfcie em arco de circunferncia (ou cilndrica). Escorregamentos rotacionais puros ocorrem em materiais homogneos, tipo em barragens de terra, aterros em geral, em pequenas escavaes de materiais naturais. So movimentos catastrficos, causados pelo deslizamento sbito do solo residual que recobre a rocha, ao longo de uma superfcie qualquer de ruptura. - Escorregamentos translacionais: os escorregamentos translacionais podem ocorrer em taludes mais abatidos e so geralmente extensos, podendo atingir centenas ou milhares de metros. A ruptura por cisalhamento e a massa se desloca sobre uma superfcie relativamente plana, muitas vezes condicionada por superfcies de fraqueza, desfavorveis estabilidade, originadas de descontinuidades, tipo fraturas, falhas, acamamento, foliaes, xistosidades. - Escorregamentos translacionais de rochas: trata-se de movimentos de massas rochosas ao longo de descontinuidades, ou planos de fraqueza, preexistentes. As superfcies de movimentao so geralmente um reflexo da estrutura geolgica do terreno e podem consistir em planos de estratificao, xistosidade, gnaissificao, acamamento, diaclasamento, falhas, juntas de alvio de tenses, fendas preenchidas por materiais de alterao, contatos entre camadas, casos de ruptura planar. Tais escorregamentos, geralmente denominados deslizamentos, so tpicos de regies montanhosas e apresentam devido elevada acelerao que o movimento pode adquirir efeitos catastrficos. - Escorregamentos translacionais de solos: trata-se de movimentos ao longo de superfcie plana, em geral preexistente e condicionada a alguma feio estrutural do substrato. O movimento de curta durao, velocidade elevada, grande poder de destruio. Pelo aumento do teor de gua, escorregamentos translacionais de solo podem adquirir o aspecto de corridas. Podem, por outro lado, passar a atuar como rastejos, aps sua movimentao e acumulao no p da encosta. 5) Escoamentos: Os escoamentos, numa definio ampla, so representados por deformaes, ou movimentos contnuos, estando ou no presente uma superfcie definida ao longo da qual a movimentao ocorre. O conceito de escoamento no est associado ao fator velocidade, englobando movimentos lentos (rastejos) e movimentos rpidos (corridas). - Rastejos: so movimentos lentos e contnuos de material de encostas com limites indefinidos. A movimentao provocada pela ao da gravidade, intervindo, nos efeitos devido s variaes de temperatura e umidade. Em superfcie, o rastejo se evidencia, muitas vezes, por mudana na verticalidade de rvores, postes, etc. - Corridas: so formas rpidas de escoamento, de carter essencialmente hidrodinmico, ocasionadas pela perda de atrito interno, em virtude da destruio da estrutura, em presena de excesso de gua. - Corrida de terra: ocorrem geralmente sob determinadas condies topogrficas, adaptando-se s condies de relevo. So geralmente provocadas por encharcamento do solo por pesadas chuvas ou longos perodos de chuva de menor intensidade. A velocidade de deslocamento pode ser elevada, resultando da o risco de destruio.

23

Foto 3: Escorregamento em encosta 6) Avalanche de detritos: Representa uma das formas mais catastrficas de movimentos de massas. Envolve geralmente massas constitudas por mistura de solo e rocha provenientes da acumulao de corpos em condies de estabilidade precria Ou, ento, provenientes da mobilizao das camadas superficiais de um tpico perfil de alterao do manto. So movimentos bruscos que se iniciam na forma de escorregamento, mas que se tornam acelerados devido elevada inclinao da encosta na qual ocorrem. 7) Movimentos complexos de massas: Resultam de uma combinao das formas vistas anteriormente e se caracterizam por movimentos mltiplos ou complexos e pela ao de vrios agentes simultneos ou sucessivos. Esta classe abrange todos os fenmenos de movimentao nos quais, durante sua manifestao, ocorra uma mudana de caractersticas morfolgicas, mecnicas ou causais. o caso das intensas formas de eroso conhecidas sob o nome de boorocas ou voorocas. Classificao de Varnes: Dentre os diversos sistemas que buscam correlacionar os diferentes tipos de movimentos massa, a classificao de Varnes (1978) a mais utilizada internacionalmente. Esta classificao est representada na tabela 6. Tipo de movimento Quedas Tombamento Escorregamento Rotacional Tipo de material Solo (engenharia) Grosseiro Fino De rocha De detritos De terra De rocha De detritos De terra Abatimento Abatimento Abatimento de rocha de detritos de terra De blocos De blocos de De blocos de rochosos detritos terra Rocha

Poucas unidades

Translacional Expanses laterais Corridas/escoamentos

Muitas unidades De rocha (rastejo profundo) De detritos (rastejo de solo) De terra

Tabela 7: Classificao do s Movimentos deMmassas por Varnes (1978) Fatores que controlam os movimentos de massa: Segundo Fernandes e Amaral (1996), vrias feies geolgicas e geomorfolgicas podem atuar como fatores condicionantes de escorregamentos, determinando a localizao espacial e temporal dos movimentos de massa nas condies de campo. De acordo com esses autores, destacam-se as seguintes feies: Fraturas (tectnicas e atectnicas) representam importantes descontinuidades, tanto em termos mecnicos quanto hidrulicos. Falhas tem um papel destacado no condicionamento dos movimentos de massa. Como as juntas afetam a dinmica hidrolgica, favorecem o intemperismo. Foliao e bandeamento composicional a orientao da foliao influencia diretamente a estabilidade das encostas em reas onde afloram rochas metamrficas. A foliao e/ou bandeamento mergulham para fora da encosta em cortes de estrada. Descontinuidades em solos vrias descontinuidades podem estar presentes dentro do saprlito e do solo residual. Estas incluem, principalmente, feies estruturais reliquiares do substrato rochoso (fraturas, falhas, foliaes, bandeamentos etc). Morfologia da encosta - a morfologia de uma encosta, em perfil e em planta, pode condicionar tanto de forma direta ou indireta, a gerao de movimento de massa. A atuao direta dada pela tendncia de24

correlao entre a declividade e a freqncia dos movimentos, embora mapeamentos de campo revelem que o maior nmero de escorregamentos ocorre nas encostas mais ngremes. Depsitos de encostas tais depsitos esto diretamente relacionados s zonas de convergncia na morfologia descrita anteriormente.

Mecanismos de Ruptura em Taludes:

A estabilidade de um talude em rocha condicionada pela presena de planos de fraqueza ou descontinuidades no macio rochoso. A resistncia e a deformao so caractersticas do macio rochoso extremamente dependente da persistncia, do espaamento, da orientao e das propriedades geomecnicas destes planos. O primeiro passo a ser dado em uma anlise de estabilidade determinar a relao entre as diversas famlias de descontinuidades e o potencial cintico de instabilidade dessas estruturas, por meio do uso de projeo estereogrfica. O segundo passo determinar a resistncia ao cisalhamento nos planos de descontinuidade ou quais os blocos de rocha que podem movimentar-se, atravs de ensaios in situ ou de laboratrio. Finalmente, o terceiro determinar as condies de fluxo de gua das descontinuidades ou em macios intensamente fraturados, por meio de poos ou avaliao de campo, de maneira a caracterizar as presses de gua que atuam em blocos potencialmente instveis.Anlise cinemtica aplicada: a anlise cinemtica consiste na identificao dos mecanismos de ruptura, feita a

partir do estudo da atitude das descontinuidades e do talude, com o emprego de tcnicas de projeo estereogrfica. A ruptura de um talude em rocha pode ocorrer de muitas formas, e na maioria dos casos, dominada pela presena de descontinuidades preexistentes. A ruptura circular ocorre em macios rochosos extremamente fraturados, em solos ou em macios muito alterados, segundo uma superfcie em forma de concha. A ruptura planar ocorre quando a descontinuidade tem a direo aproximadamente paralela face do talude e mergulho menor que a face do talude permitindo o material acima da descontinuidade deslizar. A ruptura em cunha gerada a partir de duas descontinuidades distintas, cuja interseo propicia o rompimento de parte do talude. As condies e orientaes das diferentes famlias de descontinuidades determinam o evento. A ruptura por tombamento um tipo de ruptura em taludes envolvendo rotao de colunas, agindo umas sobre as outras. Em macios rochosos essas colunas so formadas por planos de acamamento regulares, clivagem ou descontinuidades, paralelas crista do talude e mergulhando para dentro do macio rochoso, contrastando com a ruptura por deslizamento, na qual as descontinuidades mergulham no mesmo sentido que o talude.

25

Figura 12: Mecanismos de Ruptura Classes de tombamento: - Tombamento por flexo: ocorre onde colunas contnuas de rocha, separadas por descontinuidades bem desenvolvidas e mergulhando verticalmente, dobram para frente e se quebram em flexo. Deslizamento, solapamento ou eroso do p do talude provocam o incio da ruptura que progride para trs, com fendas de trao largas e profundas. A poro inferior do talude coberta com blocos desorientados e desordenados. O tombamento por flexo ocorre mais notadamente em ardsias, filitos e xistos.

26

Figura 13: Tombamento por flexo - Tombamento de blocos: ocorre onde colunas individuais de rochas so divididas por descontinuidades espaadas. O p do talude, com colunas curtas, recebe cargas do tombamento das colunas compridas acima. A base do macio ser constituda de degraus, geralmente subindo de uma camada para a outra. Camadas espessas de rochas sedimentares como arenito e calcrio, assim como descontinuidades de origem vulcnica em forma de colunas exibem rupturas de tombamento de blocos.

Figura 14: Tombamento por blocos - Tombamento por flexo: caracterizado por flexo contnua de longas colunas em funo de movimentos acumulados ao longo de numerosas descontinuidades cruzadas. O movimento de deslizamento ocorre ao longo de vrias superfcies de descontinuidades no p do talude, enquanto deslizamento e tombamento ocorrem de forma associada no resto do macio. Camadas de arenito e xisto, e camadas finas de calcrio, exibem tombamento de bloco por flexo.

Figura 15: Tombamento por flexo - Tombamento secundrio: pode ser provocado por outro fenmeno independente, em casos onde o tombamento dificilmente ocorreria. A figura abaixo apresenta vrios exemplos de tombamento secundrio, como na figura (a) que apresenta um deslizamento na parte superior do talude, provocando o tombamento secundrio no p do talude. A figura (b) mostra tombamentos na base do talude, onde as camadas mergulham verticalmente, induzidas pelo arraste. A figura (c) exemplifica o deslizamento de camadas inferiores provocando o tombamento das camadas superiores. Na figura (d) tem-se o tombamento e colapso das colunas de rochas sobrepostas provocado pelo intemperismo do material inferior e em (e) tem-se tombamento devido presena de fendas de trao em material coesivo.

27

(a) (b)

()

(D)

Figura 16: Exemplos de tombamentos

CAPITULO 9 RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DE DESCONTINUIDADES Introduo: Por resistncia ao cisalhamento entende-se a resistncia que os corpos rochosos tm para se romperem segundo a direo das tenses cisalhantes, ou seja, na direo tangencial. O fator mais importante para a determinao desta resistncia a geometria da rocha. Em seguida, pode-se citar a resistncia ao cisalhamento das superfcies com potencial de ruptura. A determinao do valor da resistncia ao cisalhamento um ponto crtico no projeto de estabilidade da mina. Uma pequena variao no valor determinado pode provocar mudanas considerveis nesta estabilidade (altura e inclinao do talude). Vrios fatores podem provocar mudanas no valor da resistncia, como a rugosidade das superfcies, intemperismo e presena de gua. Resistncia ao cisalhamento de descontinuidades planares: Sendo as descontinuidades presentes como planos de acamamento e unidos (sem deslocamento entre as partes separadas por este plano de descontinuidade), a descontinuidade absolutamente plana, sem rugosidades (e) ou ondulaes. As partes separadas esto sujeitas a uma tenso normal ( ), e a tenso cisalhante necessria para causar o deslocamento pode ser medida. Cada teste de resistncia ao cisalhamento permite a criao de uma curva tpica. Em deslocamentos muito pequenos, a amostra comporta-se de forma elstica, e as resistncias ao cisalhamento aumentam linearmente com o deslocamento. Quando estas resistncias ao cisalhamento so superadas, a curva se torna no28

linear, alcanando um pico onde a tenso de cisalhamento mxima. Em seguida, esta tenso cai abruptamente a um nvel constante denominado resistncia ao cisalhamento residual. Se o valor mximo da resistncia ao cisalhamento diferir muito das tenses normais, a curva torna-se linear, com inclinao igual ao ngulo de atrito, interceptando o eixo da resistncia ao cisalhamento no valor da coeso. O valor mximo da resistncia ao cisalhamento dado por: Onde: = resistncia ao cisalhamento de pico; cp = coeso; = tenso normal efetiva; p = ngulo de atrito de pico Para o valor de resistncia ao cisalhamento residual (cp = 0),

= cp + .tg

p

r = ngulo de atrito residual ( r <

= .tgp

r

).

- Influncia da gua nas descontinuidades planares (ou na resistncia ao cisalhamento) A presena de gua na interface dos planos da descontinuidade faz com que a resistncia ao cisalhamento se reduza devido a uma diminuio na tenso normal, provocada pela gua.a nova equao dada por: Onde u = presso dgua. A influncia da gua nas descontinuidades planares depende da natureza do material do preenchimento. Testando a resistncia ao cisalhamento de descontinuidades na rocha: A obteno de valores da resistncia ao cisalhamento, para uso em projeto, requer ensaios podendo ser realizados em sofisticados laboratrios ou in situ, sendo reproduzidas de forma to precisa quanto possvel. A escolha destes testes leva em conta a natureza do problema, o tempo e o dinheiro disponveis. Todavia, em projetos de taludes crticos, tais como aqueles prximos instalao principal de uma planta, nenhum esforo ou gasto pode ser dispensado para obteno de valores seguros para a resistncia ao cisalhamento para descontinuidades crticas encontradas no macio. Por outro lado, clculos preliminares da estabilidade realizados durante os estudos do fechamento de uma cava da mina so geralmente restringidos em termos de acesso ao macio e tambm disponibilidade de tempo e dinheiro, da testes elaborados e caros no so justificveis. Estimativa da resistncia compresso em descontinuidades e do ngulo de atrito: Quando for impossvel se realizar algum tipo de teste, as caractersticas da resistncia ao cisalhamento das superfcies da rocha podem ser aproximadas atravs do uso de equaes especficas. Estas equaes necessitam de valores estimados ou calculados para a resistncia compresso, para o ngulo de atrito e para a mdia do ngulo de rugosidade da superfcie. Determinao do ngulo de atrito: O ngulo de atrito bsico poderia ser determinado em ensaios diretos de cisalhamento em superfcies de rochas macias preparadas por meio de uma limpeza e corte com serra adiamantada. Os valores da resistncia ao cisalhamento residual obtidos de testes de cisalhamento em que a amostra foi submetida considervel deslocamento e podem ser usados para obter o valor do . Testes de inclinao em que o ngulo de inclinao necessrio para causar deslizamentos medido para a determinao do ngulo bsico de atrito em influncia de superfcies de rugosidade em escala muito pequena. Resistncia ao cisalhamento de descontinuidades preenchidas: Um problema comum encontrado em projeto de talude de rocha o de descontinuidades preenchidas com algum material leve. Este preenchimento pode ser por material detrito ou ganga de movimentos de cisalhamentos anteriores, tpico de falhas, ou pode ser material depositado na abertura de juntas como resultado dos movimentos de gua atravs do macio rochoso.29

= cp + ( - u).tg

p

Em outro caso, a presena de uma espessura significativa de preenchimento com material leve e fraco pode ser a principal influncia na estabilizao do macio rochoso. Quando uma descontinuidade principal com espessura significativa de preenchimento encontrada no macio rochoso onde ser escavado um talude, prudente considerar que a ruptura por cisalhamento ocorrer atravs do material do preenchimento. Conseqentemente, em anlises preliminares, a influncia da rugosidade pode ser ignorada e a resistncia ao cisalhamento da descontinuidade pode ser considerada como a do material do preenchimento. Ainda relevante o fato de que o preenchimento influencia a permeabilidade da rocha. Por exemplo, a permeabilidade da argila e materiais de preenchimento similares pode ser de magnitude trs a quatro vezes menores que a permeabilidade do macio rochoso, podendo assim aumentar a demanda de gua dentro do macio. A presso de gua se contrape tenso normal aplicada, diminuindo a mesma e a ruptura pode ser iniciada ao longo da descontinuidade. CAPITULO 10 ESCAVAESIntroduo:

Escavao o processo empregado para romper a compacidade do solo ou rocha, por meio de ferramentas e processos convenientes, tornando possvel a sua remoo. Uma escavao pode ser realizada com dois diferentes objetivos, quais sejam obteno de bens minerais e abertura de espaos para fins diversos. No primeiro caso, as escavaes normalmente envolvem grandes volumes de material, tanto estril como minrio e se processam por perodos de tempo muito longos. J a escavao com finalidade de abertura de espaos pode envolver volumes bem menores de material, sendo executada em tempos inferiores. Como exemplo, pode-se citar o desenvolvimento de canais de irrigao e de navegao, escavaes para implantao de barragens, centrais hidreltricas e nucleares, abertura em corte e/ou aterro ou tneis para rodovias, ferrovias, metrs, ou ainda implantao de fundaes de edifcios, pontes e viadutos, portos e aeroportos, reservatrios de gua e outras obras civis em geral. As operaes de escavao propriamente ditas so normalmente complementadas pelo carregamento do material escavado, transporte e descarga. Como exemplo de grandes escavaes em mineraes brasileiras, pode-se citar a mina do Cau, da Vale, em minas gerais, em operao a cu aberto desde 1942, onde j se havia escavado at 1996 cerca de 890 milhes de toneladas de hematitas e itabiritos, alm de mais 390 milhes de toneladas de estril, convivendo-se com um talude contnuo (sem bermas) de 310 m de altura e talude total de 455 m. As principais minas de ouro da minerao morro velho, quais sejam a mina Velha a cu aberto e subterrnea e a mina Grande, subterrnea, ambas em minas gerais, tiveram a lavra iniciada em 1834. A explotao atingiu uma profundidade de 2.453 m (cota de 1.443,5 m, abaixo do nvel do mar) e uma extenso total de galerias estimada em 100 km, com produo total de 333 de ouro at 1996. Outro exemplo interessante o do garimpo de serra pelada, de onde foram oficialmente obtidas 41 t de ouro numa escavao totalmente manual, onde chegaram a trabalhar at 85 mil homens. A usina hidreltrica de Paulo Afonso IV possui uma escavao para a casa de fora subterrnea de 54 m de altura por 222 m de comprimento e 25 m de largura, num volume de 230 mil m3 e um volume total de escavaes subterrneas de 510 mil m3. Podem ainda ser citados os tneis da ferrovia do ao, cujo projeto inicial previa um total de cerca de 100 tneis com aproximadamente 100 km, dos quais a maioria j foi aberta. A parte em operao at 1996 possui cerca de 50 km de tneis, o maior dos quais com 8 km de extenso. Embora as escavaes sejam em geral muito criticadas por ambientalistas pela degradao que representam ao meio, estes exemplos mostram a sua importncia na vida do homem moderno. Isto ocorre tanto na grande minerao, para obteno de matria-prima para a indstria metalrgica e outros bens minerais imprescindveis, como em pequenas escavaes para extrao de matria prima na construo de moradias (areia, brita, argila para indstria de telhas, tijolos e cermicas, etc.). Tipos de Escavao: Tradicionalmente, as escavaes so divididas em dois tipos: escavao a cu aberto; escavao subterrnea. Existem ainda diferentes tipos de escavao conforme a categoria do material:30

escavao comum: indicada para o chamado material de primeira categoria, como solo, material decomposto, aluvies, material heterogneo com blocos isolados de at 1 m3, que podem ser removidos diretamente por equipamentos de porte varivel previamente definidos em contrato quando necessrio; escavao de rocha por desagregao ou mista: utilizada em material intermedirio ou de segunda categoria, tais como rochas mais ou menos rgidas, estratificadas, de diferentes graus de alterao, que devem ser desmontadas e desagregadas por equipamentos de diversos portes (tratores com escarificadores, rompedores, etc.) Ou mesmo com emprego descontnuo de explosivos de baixa potncia para posterior carregamento e remoo; escavao de rocha por explosivos: para material de terceira categoria, qual seja rocha s ou pouco alterada que no consegue ser escavada por mtodos a frio. A seleo do mtodo de escavao requer estudos prvios sobre a natureza, qualidade e quantidade do material a remover, seu arranjo espacial, seu comportamento quando removido, o que por sua vez funo de fatores geolgicos e geotcnicos. E ainda sobre os possveis efeitos sobre o terreno e estruturas adjacentes. Depende, ainda, dos propsitos da escavao, dos prazos previstos, da presena de gua, da distncia aos locais de disposio de estreis, bem como dos equipamentos de lavra, transporte e apoio disponveis. Condicionantes geolgicos: 1) Efeitos das escavaes As escavaes provocam descompresses no macio rochoso envolvente, ocasionando assim um estado de tenses induzidas diferente das tenses preexistentes. Essas modificaes no estado de tenso ao redor das escavaes, que so funo de suas dimenses e geometria, bem como do mtodo de abertura e cuidados na execuo, podem provocar deformaes elsticas ou plsticas e deslocamentos que se refletem principalmente em suas descontinuidades. Os deslocamentos sofridos eventualmente causam o rompimento do macio rochoso. Em escavaes a cu aberto, isso pode significar o escorregamento de taludes, seja de uma pequena poro de um banco at a movimentao de grandes massas. J para escavaes subterrneas, pode haver desde pequenos desplacamentos superficiais at desabamento de tetos ou paredes ou ainda rompimento de pisos e, eventualmente. Colapso total da escavao, em funo da forma e seo da escavao. 2) Escavabilidade: Escavabilidade a maior ou menor facilidade do macio em ser escavado. A tabela abaixo apresenta uma classificao dos materiais quanto escavabilidade. As caractersticas no tradicionais da rocha, como dureza e tenacidade, so importantes nos estudos de escavabilidade, alm daquelas que condicionam a perfurabilidade.

Tabela 8: Classificao dos materiais quanto escavabilidade.

31

A dureza da rocha e a sua resistncia penetrao por diferentes artefatos afiados um conceito relativo, um pouco distinto da dureza do mineral. A tabela seguinte apresenta uma classificao para diferentes durezas de rocha, comparando-as com a dureza Mohs para minerais e com a resistncia compresso uniaxial.

Tabela 9: Classificao das rochas por dureza A tenacidade a caracterstica da rocha que representa a maior ou menor resistncia separao em pedaos, ao ser golpeada por um martelo. Entretanto, distores podem ocorrer nesse conceito, pela presena de fraturas que interferem no rompimento ou em funo da direo do golpe. A resistncia trao e compresso so tambm caractersticas diretamente proporcionais maior dificuldade da escavao. A figura seguinte apresenta uma relao entre mtodos tanto de escavao como de perfurao versus a resistncia compresso uniaxial para diferentes rochas comuns no Brasil, associadas sua classificao.

Figura 17: Anlise de resistncia compresso uniaxial

32

A densidade da rocha influi tambm nas condies de escavao. Solos e rochas mais densos requerem maior energia para serem escavados e mobilizados. O empolamento ou expanso volumtrica o aumento de volume que sofrem solos e materiais, rochosos ao passarem do estado intacto ao estado fragmentado ou desagregado. Esse aumento varia de 12 a 15%, em areias e cascalhos, para 20 a 2.5 % em argilas, atingindo 34% em calcrios e 45% em rochas mais duras e compactas. Esse empolamento implica numa reduo na densidade do material desmontado. 3) Estruturas geolgicas Algumas caractersticas estruturais do macio rochoso so de grande importncia, principalmente para o desmonte de rocha por explosivos. A geologia muitas vezes determina a altura das bancadas em escavaes a cu aberto, quer pela estabilidade das faces, quer pela prpria adequao das malhas de perfurao e tipo de explosivo. Determina ainda a orientao da bancada, preferencialmente paralela aos planos do principal sistema de juntas, acamamento, xistosidade e outras estruturas. Normalmente, as juntas representam regies de fraqueza que podem permitir um corte melhor numa dada direo. Para escavaes subterrneas, a geometria do projeto no pode normalmente ser alterada pela presena de juntas ou acamamentos. A importncia de descontinuidades e planos de fraqueza , entretanto, significativa tanto sob o ponto de vista operacional na execuo da escavao propriamente dita (plano de fogo, por exemplo), como na forma final da cavidade aberta (contorno), e ainda na definio da necessidade de eventuais tratamentos. Uma direo predominante de fraqueza num macio rochoso condiciona a forma final obtida numa escavao em decorrncia de sobre escavaes ou overbreak que provoca, conforme mostra a figura abaixo.

Figura 18: Modelos de escavaes CAPITULO 11 - EQUIPAMENTOS E MTODOS DE ESCAVAO Escavaes a cu aberto: Escavaes em solo a cu aberto podem envolver pequenos servios executados por homens munidos de ps e picaretas. Escavaes maiores requerem equipamentos de maior porte e atividades especficas. Cerca de 30% da crosta terrestre formada por solos, folhelhos, argilitos e outras rochas que podem ser escavados sem o uso de explosivos. Decapeamento: O decapeamento consiste na remoo do solo e rocha alterada da superfcie para se chegar rocha s. Muitas vezes, a camada superficial de solo com resduos vegetais estocada parte, para posterior recobrimento das escavaes.

33

Escavaes convencionais so normalmente desenvolvidas em bancadas de altura varivel. Alm dos equipamentos utilizados no decapeamento, trs equipamentos so os mais usuais para escavaes a cu aberto, sendo tambm utilizados para carregamento de rocha aps seu desmonte por explosivos.

Figura 19: Equipamentos usados para decapeamento Dragagem: A dragagem usada para a remoo de materiais que esto abaixo do nvel dgua. Para tanto, so utilizados os seguintes mtodos: - Dragagem por suco: usada tanto para a execuo ou aprofundamento de canais de irrigao, drenagem ou navegao, como para extrao de materiais para aterro ou uso civil (areia, argila, silte, cascalho). - Dragagem por draglines ou clamshells: mtodo cclico com utilizao de equipamentos com caambas de diferentes capacidades, que efetuam a escavao em nveis inferiores praa em que se apiam. Outros tipos comuns de dragas so as dragas de alcatruzes, as de roda de caambas, etc. A lavra por tira (stripping mining) um mtodo utilizado principalmente para minerao de camadas pouco profundas. Sub horizontais e com grande extenso e volume. muito usado no mundo todo na lavra de carvo e bauxita

Figura 20: Tipos de equipamento de dragagem

34

Escavaes subterrneas: Escavaes subterrneas em material pouco consolidado geralmente requerem algum tipo de sustentao, que pode ser feita por diferentes mtodos; sua aplicao normalmente representa um custo significativo na execuo da obra. Assim, escavaes subterrneas necessitam de uma investigao geolgico-geotcnica preliminar o mais detalhada possvel para evitar-se situaes imprevistas, que podem alterar grandemente tanto o custo quanto o cronograma da obra, justificando investigaes detalhadas e exposio gua, ar e gases e, ainda, sem necessidade de suporte, seria o mais indicado para escavao a um menor custo. Obras civis: Cada tipo de obra civil possui diferentes caractersticas geomtricas, com sees e comprimentos muito variveis, executadas em diferentes condies geolgicas. Em funo de tais condies, os equipamentos so muitas vezes especficos, bem como o prprio mtodo de ataque, que por vezes feito em seo plena (para sees mdias a pequenas), ou em duas ou mais fases executivas (normalmente, abertura inicial da abbada e posterior rebaixo). Os diferentes tipos de seo so funo do uso futuro do tnel. Para transporte de gua, as sees devem ser normalmente circulares. Geralmente, tneis ferrovirios possuem seo em forma de ferradura. Sees circulares, muitas vezes, so utilizadas em material pouco consolidado para aumentar a estabilidade e facilitar o revestimento. Normalmente, as abbadas de tneis so arredondadas, tambm com esses objetivos. CAPITULO 12: MINERAO SUBTERRANEA: Uma minerao subterrnea exige a construo de uma srie de galerias e escavaes prximas e semelhantes em geometria, geologia e sistema de execuo e fatores de segurana inferiores aos de obras civis. Alm de galerias e travessas sub horizontais, escavam-se tambm poos (ou shafts) verticais para transporte de homens, minrio/estril ou equipamentos, ou ainda inclinados tais como chutes descendentes, passagens ou ainda chamins para minrio e/ou estril, ou ainda raises ascendentes e winzes descendentes para interligao de nveis diferentes.

A figura abaixo mostra um esquema de mina subterrnea. Figura 21: Desenho esquemtico de mina subterrnea Equipamentos de carregamento e transporte: Carregadeiras tipo overshot: so equipamentos que coletam o material desmontado e o descarregam, geralmente em vagonetas. Rastelos (slushers): so equipamentos que arrastam o minrio a distncias de 15 a 120 m. Sendo acionados por ar comprimido ou eletricidade; Ps carregadeiras rebaixadas: so equipamentos similares carregadeiras convencionais, porm com perfil35

mais baixo para trabalhar em tneis e galerias de pequena altura. Carregadeiras de carvo: equipamentos com dois braos articulados, semelhantes a garras que puxam o material e o direcionam para transportadores sobre correntes. Vages e vagonetas ferrovirios: movem-se sobre trilhos, podendo ser empurrados por homens, puxados por locomotivas eltricas (eventualmente por baterias recarregveis), ou ainda tracionados por correntes e engrenagens; Transporte por correia transportadoras.

Figura 22: Desenho esquemtico com localizao de equipamentos para mina subterrnea CAPITULO 13: INVESTIGAES MECNICAS Os processos de investigao mecnica utilizados atualmente nos estudos de geologia de engenharia no Brasil so praticamente os mesmos desde a poca do grande surto de desenvolvimento de nossa infra-estrutura, ocorrido nas dcadas de 60 e 70. Os principais mtodos de investigao mecnica de campo utilizados para reconhecimento geolgicogeotcnico so: sondagem a varejo (sv); sondagem a trado (st); poo ou trincheira de inspeo (pi/ti); sondagem a percusso (sp); sondagem rotativa (sr); perfurao com rotopercusso (rp); galeria de investigao (gi). Nas fases iniciais de qualquer projeto comum o emprego intenso de mtodos mais simples, ou seja, os de menor custo unitrio. Nesta fase inicial do projeto so realizadas sondagens a trado e, quando necessrio, escavados poos ou trincheiras com a finalidade de se obter amostras indeformadas de solos ou para mapear as paredes, buscando reconhecer as estruturas geolgicas que possam interferir no empreendimento. A medida que as investigaes avanam aumenta-se o nmero de sondagens e estas passam, gradativamente, para as mais sofisticadas (percusso e rotativa), que apresentam maior custo unitrio. Alm disso, as profundidades de investigao tornam-se cada vez maiores e dirigidas a alvos especficos.36

1) poo e trincheira de inspeo Os poos de inspeo so escavaes verticais que permitem o acesso ao interior do terreno para exame direto in situ do material. Eles podem ser feitos tanto em solo como em rocha, permitindo o exame detalhado dos horizontes perfurados, a retirada de amostras indeformadas (solos), a coleta de amostras volumosas de cascalho, etc. Na descrio do poo podem ser feitas avaliaes detalhadas da macroestrutura dos horizontes atravessados, da permeabilidade, resistncia do solo, etc. Quando necessrio analisar grandes extenses do terreno, utilizam-se trincheiras de seo retangular alongada.

Figura 23: Desenho esquemtico de poo de inspeo O poo de inspeo em rocha feitos com furos de martelete e explosivos ou com sonda rotativa de grande dimenso. O dimetro destes poos varia de 1 a 3 m em mdia. Tais poos permitem o exame direto de feies geolgicas ou geotcnicas importantes do macio rochoso. 2) sondagem a varejo: A sondagem a varejo feita com uma haste lisa de ferro, cravada manualmente, ou por golpes de marreta, em sedimentos inconsolidados submersos. E usada para o reconhecimento de aluvies, superfcies rochosas no leito de um rio e para avaliar depsitos de areia e cascalho para uso na construo civil. A haste geralmente penetra at 2 m no aluvio arenoso inconsolidado e o material atravessado pode ser identificado pela reao sonora e vibratria do processo. Em argila, a penetrao macia, em areia spera e em depsitos de areia com cascalho observam-se bloqueios esparsos na cravao da haste. 3) sondagem a trado: A sondagem a trado uma perfurao manual de pequeno dimetro, feita com um trado para a investigao de solo de baixa a mdia resistncia. O trado geralmente constitudo por uma concha metlica dupla ou uma espiral que perfura o solo enquanto guarda em seu interior o material perfurado. O equipamento acionado por hastes de ao rosqueves e composto, em seu topo, por uma cruzeta para aplicao de torque. O dimetro usual do trado de 3 (aproximadamente 7.6 cm) entretanto, nos trechos iniciais das sondagens rotativas emprega se o dimetro de 4 (aproximadamente 10,2 cm). A coleta de amostras feita a cada metro de avano ou quando ocorre mudana do tipo do material perfurado, para que seja identificada uma possvel mudana de horizontes pedolgicos ou de camadas geolgicas. E muito importante coletar a ltima amostra retirada do furo e anotar o motivo da paralisao da perfurao.37

A sondagem a trado geralmente penetra somente os horizontes de solo (baixa a mdia resistncia) e acima do nvel dgua. Todavia, camadas argilosas plsticas situadas abaixo do nvel dgua podem ser amostradas com trado tipo espiral. Camadas de seixos ou blocos de rocha impedem o avano deste tipo de sondagem. A investigao a trado geralmente utilizada para o estudo de reas de emprstimo de solo e de subleitos de

rodovias. Figura 24: Desenho esquemtico de sonda a trado 4) Sondagem a Percusso: A sondagem a percusso ou sondagem simples e o processo de investigao mais comum empregado na caracterizao da cobertura terrosa dos terrenos naturais. O equipamento utilizado simples e consta basicamente de um trip, uma bomba de gua, um tanque de gua de 200 l e ferramentas de corte do solo. O dimetro normal da perfurao de 2. 5 e em geral a sua profundidade varia de 10 a 20 m. A sondagem a percusso limitada pela ocorrncia de material duro, como, matacos, seixos ou cascalhos de dimetro grande. - Ensaio stp: a cada metro de perfurao feito um ensaio de cravao de um barrilete, tubo oco de 45 cm, no fundo do furo, para medida de resistncia do solo e coleta de amostra pouco deformada. para cravar o barrilete usado o impacto de uma massa metlica de 65 kg caindo de uma altura de 75 cm de altura sobre um ressalto na parte superior da haste. - Ensaio de lavagem por tempo: quando existe interesse em caracterizar a resistncia de camadas muito consolidadas, que no podem ser atravessadas com o barrilete amostrador da sondagem a percusso, so feitas medidas da velocidade de avano da sondagem com o processo de lavagem. esse procedimento, denominado ensaio de lavagem por tempo, muito aplicado em rochas sedimentares pouco cimentadas, consiste na operao padronizada dos movimentos do conjunto do trpano e hasteamento, com quedas livres a intervalos regulares de uma altura de 30 cm, durante 10 minutos, com medidas do avano do furo nesse tempo. - Coleta de amostras:na sondagem a percusso so coletadas amostras obtidas pelo barrilete amostrador e aquelas retiradas nos avanos dos furos .as amostras retiradas do barrilete devem ser acondicionadas em frascos, para a manuteno da umidade natural e das suas estruturas geolgicas. As amostras de trado devem ser acondicionadas em sacos plsticos ou ordenadas nas prprias caixas de amostragem. As amostras retiradas por sedimentao da gua de lavagem ou de circulao tambm devem ser guardadas. Elas so constitudas principalmente pela frao arenosa do solo original, pois os finos geralmente so levados pela gua de circulao da sondagem.

38

Figura 25: Desenho esquemtico da sonda a percusso 5) sondagem rotativa: A sondagem rotativa um tipo de investigao feita com um tubo, denominado barrilete, dotado de uma pea cortante, feita com material de alta dureza (coroa) em sua ponta, que perfura o terreno atravs de um movimento de rotao. O barrilete geralmente tem uma camisa livre em seu interior para preservar o testemunho do terreno, que constitui a parte central da rea anelar cortada pela coroa. Para rochas brandas utiliza-se coroa com pastilhas. Para rochas de mdia e alta dureza emprega-se coroa com diamante industrial, na forma de pequenos gros incrustados ou grnulos disseminados numa matriz, formada pela mistura de vrios metais, submetidos sinterizao. Existem barriletes e coroas de vrias dimenses para permitir a execuo das perfuraes em srie telescpica. Com isso possvel manter protegida, com revestimento, parte da parede do furo, constitudo por material que pode desmoronar, enquanto a perfurao prossegue com um dimetro menor. O equipamento bsico para a sondagem rotativa consta de uma sonda motorizada, bomba de gua, hastes, barriletes e coroas. As sondas geralmente imprimem o avano da perfurao, pressionando o hasteamento rotatrio com macacos hidrulicos. A operao da sondagem rotativa se faz por ciclos sucessivos de cone e retirada dos testemunhos do interior do barrilete, procedimento este denominado manobra. Os trechos com baixa recuperao devido deficincia de operao do equipamento devem ser indicados na caixa de testemunhos e no boletim de sondagem. Nas perfuraes em rochas calcrias e efusivas baslticas ocorrem, por vezes, cavidades com gua ou lama, onde o avano da sonda se faz sem qualquer resistncia e tambm devem ser indicadas. Enfim, todos os fatos ocorridos durante a execuo de uma sondagem devem ser criteriosamente registrados para que os resultados da investigao possam ser corretamente interpretados. Os testemunhos obtidos nas sondagens devem ser guardados em caixas de madeira ou de plstico com tampa. Estes devem ser dispostos na seqncia exata de sua posio no furo, da esquerda para a direita e de cima para baixo, tal como a escrita de um texto.

39

Figura 26: Desenho esquemtico da sonda Rotativa Medida do desvio da sondagem: Em macios rochosos com forte anisotropia de resistncia mecnica, ocasionada por alterao diferenciada no material ou pela presena de veios de quartzo, por exemplo, pode ocorrer desvio na direo da sondagem. Em sondagens inclinadas, mesmo em materiais de resistncia homognea, existe a tendncia do furo desviar-se para cima em razo das hastes ficarem apoiadas na parte inferior da seo do furo, forando o barrilete e a coroa para o sentido oposto. O desvio do furo pode ser medido com o auxlio de um equipamento capaz de registrar seu rumo e inclinao. Tal equipamento dotado dc um mecanismo de relgio, para acionar o travamento depois de decorrido certo tempo, e de uma bssola com clinmetro, para medir a direo e a inclinao. Como este equipamento de orientao magntica, no aplicvel em rochas de forte magnetismo. Orientao dos testemunhos: A orientao dos testemunhos de sondagem e, conseqentemente, de todas as feies encontradas (fraturas, foliao, diques. Veios, etc.) Pode ser feita por procedimento que assinale, no topo da primeira amostra de uma manobra possibilitando a definio da posio espacial da amostra coletada, quando ela ainda est incorporada ao macio. Com um segmento de testemunho orientado possvel ento fazer uma montagem com os demais, acima e abaixo dele possvel, ainda, orientar o testemunho a partir de estruturas geolgicas previamente conhecidas. 6) Sondagem a Rotopercusso: A sondagem rotopercussiva utilizada para avaliar, preliminarmente, a posio do topo da rocha e a homogeneidade de um macio rochoso, o furo geralmente tem 3 de dimetro e um comprimento de at 25m excepcionalmente, a profundidade ultrapassa 35 m; porm, a retirada do material toma-se difcil. A sonda constituda por uma perfuratriz (martelo), torre, hastes, comandos pneumticos e ferramenta de perfurao. Todo conjunto est montado em estrutura metlica e sob esteira rolante. Para acionar a sonda necessrio um compressor de ar ou rede de ar comprimido.em obras subterrneas, por exemplo tneis, emprega-se a40

rotopercusso para investigao horizontal de frentes de escavao, campanhas de injeo e drenos, etc. 7) Trado Oco: O trado oco, ou hollow stem auger, cujo principio de funcionamento foi idealizado h alguns anos, passou a ter um uso freqente a partir da intensificao dos estudos ambientais, devido sua capacidade em recuperar amostras contnuas do macio, sem provocar alteraes nos nveis de contaminaes das diversas camadas do perfil amostrado. Os equipamentos disponveis no mercado so automticos e montados sobre caminho, chassi sobre pneus ou esteiras e possuem capacidade de: abrir furos a seco com o hollow stem auger; construir poos de monitoramento; amostrar de forma contnua o solo; executar ensaios sf1 com emprego de maneio automtico; realizar sondagens rotativas; atingir profundidades superiores a 60 m com dimetro de at 12. Para amostragem continua de terrenos arenosos utiliza-se mola retentora no barrilete bipartido. importante ressaltar a dificuldade em medir o nvel dgua durante a perfurao sendo recomendada sua medio por meio de um furo auxiliar executado nas proximidades do local investigado. 8) Galeria de Investigao: A galeria constitui um elemento de investigao eficiente, por permitir o acesso direto s feies frgeis do macio, em uma grande rea de exposio. Numa galeria possvel medir a posio espacial de planos de fraqueza do macio, executar ensaios para determinao de parmetros geomecnicos e fazer observaes diretas quanto s condies de fluxo da gua subterrnea. Ela proporciona tambm um timo teste piloto das condies do macio, visando construo de obras subterrneas, com a observao direta do tempo de sustentao proporcionado pelos vrios tipos de macio, da necessidade de escoramento, das infiltraes, etc. Em geral, a galeria de investigao feita na fase final do projeto bsico ou no incio da execuo, pois uma investigao relativamente cara, exigindo profissionais experientes, alm de eventuais suportes, equipamentos como compressor de ar, tratores, marteletes, bomba de concreto projetado, etc. O registro do mapeamento de detalhe da galeria feito em um plano obtido por projeo das paredes e do teto. O piso quase nunca mapeado porque os resduos acumulados e o pisoteamento dificultam a observao das feies do macio. Entretanto, h locais onde necessrio mape-lo.

Figura 27: Desenho esquemtico de Galeria de Investigao41

CAPITULO 14 - TCNICAS DE SUSTENTAO SUBTERRNEAS Introduo: O espao subterrneo tem tido cada vez mais importncia nas obras civis, devido a vrios fatores: maior barateamento e rapidez dos mtodos executivos; maior segurana devido a mtodos mais adequados de reforo e tratamento de macios; mtodos de anlise mais precisos e com modelos mais representativos; no caso das reas urbanas, acrescente-se tambm o custo mais elevado do espao superficial e o seu congestionamento j atingido com outras obras. isto tem viabilizado diversas aplicaes no-usuais, como estdios esportivos, estacionamentos, reas comerciais, etc. Os principais tipos de obras subterrneas civis so os tneis, acessos e galerias, poos e cavernas. 1) Tneis: Atualmente, os tneis respondem por mais de 90% do volume de escavaes subterrneas civis em todo mundo, sendo o tipo de obra subterrnea civil. Em sua maioria, fazem parte de diferentes sistemas de transporte, armazenamento, aduo, gerao, transmisso de energia, redes de distribuio, passagens de pedestres, tubulaes hidrulicas, comunicao e dutos de ventilao. Seus comprimentos e sees transversais mais comuns variam respectivamente de 150 a 1.500 m e 15 a 75 m2 em estaes metrovirias subterrneas. 2) Acessos e Galerias: Os acessos e galerias constituem pequenos tneis de comprimentos e sees transversais, geralmente abaixo de 150 m e 15 m2, respectivamente. Podem servir para transferir vazes lquidas sob presso ou sob ao exclusiva da gravidade. Possibilitam interligaes permanentes ou temporrias entre obras de maior porte, subterrneas e/ou em superfcie, necessrias ao deslocamento dos equipamentos de remoo dos materiais escavados. Podem servir, ainda, como escavaes piloto para tneis maiores, como investigaes de frente, drenagem, etc. 3) Poos: Os poos servem, fundamentalmente, para interligar diferentes cotas com pequeno desenvolvimento em planta. Geralmente possuem sees transversais de 4 a 16 m 2, podendo atingir de 30 a 60 m2 quando servem de dutos de ventilao e vencem desnveis de dezenas a centenas de metros. Podem acomodar instalaes industriais diversas, servir como dutos de ventilao forada ou natural, possibilitar transporte vertical de materiais e equipamentos, etc. Quando escavados a fogo, suas inclinaes podem ser de vertical as prximas de 45 (1:1), permitindo que o material detonado possa fluir livremente para baixo, por gravidade. 4) Cavernas: As cavernas resultam de grandes escavaes, com alturas, larguras e comprimentos de 30 a 60 m, 20 a 40 m e 100 a 300 m, respectivamente. Servem para acomodar conjuntos de equipamentos hidromecnicos para gerao de energia eltrica ou para recalcar vazes de gua bruta ou servida. gua Subterrnea: A gua subterrnea pode interferir de vrias maneiras nas obras civis, por exemplo, extravasando para o interior de escavaes e provocando a inundao da obra. Essa situao ocorre quando a superfcie do lenol fretico alcanada pela obra de engenharia, por exemplo, quando se escava para a construo dos pavimentos subterrneos de um edifcio, tornando necessrio o esgotamento da gua, para que os servios de construo possam ser feitos. Os vazamentos podem tornar-se crticos quando a gua percola pelo interior do macio com carga hidrulica elevada e aflora superfcie sob presso. O processo de eroso tubular regressiva, bem como os parmetros hidrogeotcnicos que interferem no comportamento da gua subterrnea nos macios, tais como a carga hidrulica, a poropresso ou subpresso. O gradiente hidrulico e outros so apresentados os problemas mais importantes associados com a gua subterrnea, para cada tipo de obra. Rebaixamento do lenol fretico: A gua subterrnea existente em um macio geolgico pode interferir de vrias maneiras em uma obra de engenharia, uma das quais fluindo do macio para o interior de uma escavao. Inundando-a ou provocando a instabilizao das paredes da escavao por eroso interna. O controle da gua subterrnea, com o objetivo de diminuir as presses e disciplinar seu fluxo, reduzindo ou eliminando sua presena de certas partes do macio, pode ser feito pelos mtodos ou sistemas de rebaixa42

mento do lenol fretico. Os sistemas de rebaixamento recebem esse nome porque resultam num abaixamento da superfcie do lenol fretico e, como quase sempre requerem o uso de bombas hidrulicas para a extrao de gua. Cavas e valetas de drenagem: As cavas e valetas de drenagem so abertas na superfcie do terreno ou no interior de escavaes, de maneira que o fundo intercepte o lenol fretico. A lmina de gua subterrnea interceptada flui para o interior das valetas e poos sendo bombeada para fora da escavao, a partir de um ou mais poos de coleta, conforme mostrado na figura abaixo.

Figura 28: Diagrama esquemtico lenol fretico Ponteiras filtrantes: As ponteiras filtrantes so empregadas para o rebaixamento do lenol fretico em solos moles e incoerentes. Em geral so construdas em linha, com espaamento entre ponteiras varivel em funo da permeabilidade do solo. So constitudas por tubos de ao, geralmente de 50 m