Erros Na Aplicação Das Classificações

CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO TERRENO

Madri, 29 de Junho de 2011

ERROS NA APLICAÇÃO DAS CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS

E RESPECTIVA CORREÇÃO

Prof. Richard Z. Bieniawski von Preinl

Bieniawski Design Enterprises, USA


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ERROS NA APLICAÇÃO DAS CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS

E RESPECTIVA CORREÇÃO

Richard Z. Bieniawski von Preinl, DrHon.C (Madrid), DrHon.C (Cracovia) Bieniawski Design Enterprises, USA

O que nos dá problemas não são as coisas que conhecemos; são aquelas que acreditamos conhecer bem.

Presidente Dwight Eisenhower

A citação anteriormente mencionada é muito apropriada para o tema da nossa Jornada pela sua importância em vários campos, incluindo a engenharia, onde mitos errados são uma praga para a humanidade, gerando perda de vidas e recursos a grande escala. Recentemente produziram-se erros na política exterior: em 2003 quando a Guerra do Iraque se gerou a partir de informações erradas aceitadas como “seguras” pelos líderes dos Estados Unidos, Reino Unido e Espanha. Ou a crise financeira de 2008, quando os expertos na bolsa sabiam com toda a certeza como controlar a “bolha” bancária, até que esta explodiu. Entretanto aconteceram desastres na engenharia, como colapsos em minas de carvão da América do Norte e outros no Chile e na China, provocados por fazer “o que sempre foi feito de maneira “segura””. Posteriormente em todos os casos foram realizados grandes esforços para corrigir os erros, mas a perda de vidas ou o dinheiro mal gasto e os minerais irrecuperáveis são fatos injustificados.

De fato, o último número de Tunnels & Tunnelling International (Fevereiro de 2011) enumera pelo menos 41 grandes colapsos em túneis – ver Tabela 1. O estudo destes casos, dois deles ocorridos em Espanha, mostra que mais de 85% foram produzidos em condições geotécnicas inesperadas e por erros interpretativos.


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Quando me pediram para fazer o discurso de abertura na Polônia, há dez meses para receber a distinção de Doctor Honoris Causa pela Universidade Politécnica de Cracóvia, Polônia, esta situação fez-me reflexionar sobre a nossa disciplina, túneis em rocha, e sobre a minha própria especialidade, desenho e caracterização de maciços rochosos. De imediato recordei o discurso que dei nesta cidade quando me entregaram a distinção, que também foi uma grande honra para mim, o meu primeiro Doctor Honoris Causa pela Universidad Politécnica de Madrid em 2001.

Há um lapso de uma década entre estes dois discursos que em ambos os casos tinham como tema a caracterização e classificação de maciços rochosos, aspetos que devem ser bem compreendidos, evitando erros, pois proporcionam os dados iniciais aos modelos numéricos, estes cada vez mais sofisticados e complexos. Uma estimativa realista das propriedades mecânicas dos maciços rochosos, principalmente a sua resistência e deformação, é a essência da engenharia de rochas. Na altura lamentei que quando os dados iniciais são errados (como a inteligência militar ou a arrogância financeira), os resultados que proporcionam também o são.

Diz-se que “errar é humano” (Alexander Pope, 1688-1744) e que “Os científicos e engenheiros aprendem com os seus erros” (Henry Petroski, 1991) mas chega a um momento em que devemos rever os nossos erros e efetuar as correções necessárias para evitá-los no futuro.

Pela minha parte, pesquisei uma quantidade significativa de material que demonstra que os mitos (ou erros de conceito) ainda persistem quando se usam classificações geomecânicas, por isso gostaria de oferecer algumas soluções que emergiram ao longo dos 10 anos que passaram entre os meus dois Doctor Honoris Causa e que continuam a ser desenvolvidas. Enquanto há soluções, continua-se à espera de respostas para colocá-las em prática, apesar de muitos projetos realizados, de muitas publicações e um sem fim de reuniões em diferentes companhias.


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MITOS freqüentes nas Classificações Geomecânicas

Dado o tempo limitado que disponho, escolhi CINCO erros de conceito mais evidentes que aparecem com freqüência na engenharia geomecânica.

MITO Nº1: OS TÚNEIS PODEM DESENHAR-SE USANDO BEM AS CLASSIFICAÇÕES

GEOMECÂNICAS, BEM OS MODELOS NUMÉRICOS, OU BEM A PARTIR DOS DADOS DA INSTRUMENTAÇÃO.

Não é verdade. Fazê-lo assim é um erro grave.

Este mito refere-se ao desenho de túneis em geral, o que implica três formas de aproximar-se ao problema que deveriam ir juntos para formar parte de um único processo de desenho de engenharia, como por exemplo, a Metodologia de Bieniawski (1992), Figura 1a, ou o Desenho Estrutural Ativo de Celada (2001).

Figura 1a.-Metodologia de Desenho e princípios da Engenharia de Rochas (Bieniawski 1992)

É primordial evitar escolher um único método de desenho, justificando-o com “não tínhamos tempo nem dinheiro” para encontrar a abordagem correta. Os três métodos assinalados são: o empírico (por exemplo, a classificação RMR ou o Q), o analítico (por exemplo, as soluções concretas que se obtêm nos modelos numéricos do computador) e o de observação (por exemplo, as medições que se realizam durante a construção ou o Novo Método Austríaco NMA).


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A razão pela qual se devia usar os três métodos no Projeto de um túnel é porque cada um tem as suas virtudes e um papel determinado. Desta forma, as classificações geomecânicas empíricas RMR ou Q representam um grande número de experiências práticas sobre casos históricos e proporcionam um critério técnico veraz e atual. Relativamente ao método teórico, os critérios analíticos de resistência e deformação do maciço rochoso são fundamentais, porque incluem uma relação entre a resistência deste e os esforços existentes para determinar fatores de segurança. Face ao método de observação, as medidas de convergência e deformação durante a construção resultam imprescindíveis para comparar as previsões com o comportamento real, permitindo rever as hipóteses e as estimativas assumidas no desenho.

É incrível ver como em muitas publicações foram escritos argumentos contra as classificações geomecânicas como método exclusivo para o desenho de túneis. Contudo, eu nunca pretendi uma exclusividade quando desenvolvi o Índice RMR há 38 anos! Sempre destaquei que as classificações geomecânicas devem usar-se em conjunto com os outros dois métodos de aproximação. Exatamente pelo mesmo argumento, estas não devem ser rejeitadas no processo de desenho, pois têm um papel crucial na caracterização de maciços rochosos, servindo de ponte entre as descrições geológicas qualitativas e os dados quantitativos que se exigem para a engenharia.

Por último, uma advertencia! Quando falamos sobre os métodos empíricos, e tendo como exemplo as classificações geomecânicas, deve-se ter em conta que estas classificações não são iguais, elas são desenvolvidas para diferentes fins e a partir de diferentes bases de dados! Na essência, o RMR e o Q estão sem dúvida na mesma categoria para avaliar a qualidade do maciço rochoso com o objetivo de construir túneis e proporcionar dados para o projeto e para a construção. Consequentemente, “complementam-se e correlacionam-se entre si” (Barton y Bieniawski, 2007). O índice de resistência geológica GSI é diferente destes dois, “não tem outro fim que não seja proporcionar dados ao critério de Hoek-Brown” (Hoek et al, 1995), sendo um índice de caracterização de maciços rochosos. A classificação NMA difere também da RMR e do Q, esta forma parte de um método de observação para a construção de túneis que não tem como objetivo uma caracterização geotécnica do terreno, mas sim proporcionar “bases objetivas para calcular o custo dos túneis e a velocidade do avanço” (Galler, 2010), ou seja, estabelecer “classes de escavação” para fins de contrato de compensação.

Devido a mal entendidos que existam sobre a história e a aplicação do RMR (1989) e do GSI (1995), os seguintes apartados abordam estes aspectos um pouco ao pormenor, enquanto que o NMA, que não tem como objetivo realizar uma caracterização geotécnica do terreno, fica de fora nesta Jornada.


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MITO Nº2: PARA MACIÇOS ROCHOSOS DE MUITO MÁ QUALIDADE, NÃO SE APLICA A CATEGORIA INFERIOR DA CLASSIFICAÇÃO RMR. Não é verdade, são idéias erradas sobre os fatos. Os fatos são que o RMR continua a ser usado com êxito, inclusive para “rochas de muita má qualidade”, Classe 5 com RMR<20, quando os dados são determinados de forma adequada. Este mito deriva de hábitos errados, que utilizam as classificações geomecânicas como um “livro de cozinha”, do qual se espera obter “receitas” válidas para todas as situações do projeto. Numa publicação de 1991, chamei à atenção de engenheiros e geólogos de que os maciços rochosos de má qualidade exigem uma atenção especial e uma cuidadosa caracterização geotécnica, pois a precisão do RMR, dependendo da perícia, pode estar dentro de uma categoria de 2-3 pontos (o mesmo acontece com outras classificações). Mas isto não significa que o RMR não possa ser aplicado para avaliar maciços rochosos de muito má qualidade. Existem vários casos históricos, que registram um RMR = 0 a 3.

O mal entendido mais grave que ocorreu na literatura de década passada, foi que não se entendeu claramente que as pontuações para os parâmetros do RMR são zero, nos seus valores mínimos. Passou-se por alto que as pontuações da tabela original do RMR - Tabela 1 – representam o valor médio de cada parâmetro, e não o valor mínimo, como se deduz de Hoek et al (1995).

TABELA 2.-Valores do RMR (Bieniawski 1979)


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Contudo, na literatura existem gráficos para avaliar os parâmetros, preparados para facilitar a análise com computadores (Figura 2), que mostram claramente que as curvas começam em zero. Portanto, o maciço rochoso de pior qualidade tem um valor de RMR=0, o que significa que, em tal caso, se trata de um terreno e não de uma rocha.

Este mal entendido surgiu quando Hoek et al. (1995), atuando de boa fé para trabalhar com maciços rochosos de muito má qualidade, apresentou um exemplo onde a aplicação do RMR assumia condições secas no maciço e uma orientação das descontinuidades muito favorável para um maciço rochoso de muito má qualidade com resistência insignificante σc. Neste caso, Tabela 1, o valor mínimo do RMR recolhido foi de 8 (3+5) concluindo-se erradamente que o índice RMR não funcionava para maciços rochosos de muito má qualidade. Para superar estas supostas limitações foi criado o Geological Strength Index (GSI).


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Figura 2a.-Gráficos para avaliar o RMR e o RQD (Bieniawski 1989)


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Figura 2b.-Gráficos de parâmetros de descontinuidade do RMR (Bieniawski 1989)

Também se especulou que nessas condições, com o RMR<15, se podia aplicar a seguinte equação aproximada:

GSI = RMR - 5, visto que os parâmetros do RMR relativos à densidade de descontinuidades (RQD + espaço das juntas) e as condições das descontinuidades serão aproximadamente iguais aos dois parâmetros do GSI, relativos à estrutura do maciço e às condições das superfícies (cujos valores foram obtidos através da classificação RMR). O problema deste raciocínio é que esta equivalência só se aplica numa classificação inferior de maciços rochosos de muito má qualidade (classe V do RMR).

Infelizmente estas idéias foram aplicadas em maciços de melhor qualidade, com RMR>>20, de forma errada por muitos geólogos e engenheiros, uma vez que era mais fácil realizar uma aproximação descritiva através do GSI, que uma quantitativa mediante o RMR, onde se tem que medir os parâmetros que o compõe.


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De fato, quando o GSI foi introduzido em 1995, as ferramentas geológicas não estavam tão avançadas como estão hoje e o lema “não tente ser minucioso” levou a estimativas rápidas. Os que desenvolveram o GSI assinalaram que é um índice de caracterização dos maciços rochosos e que não pretende substituir os sistemas de classificação do tipo RMR ou o Q – mas a isto se faz vista grossa, inclusive hoje em dia. Há que ter em conta que a única função que foi exigida ao GSI foi a de estimar a resistência do maciço rochoso utilizando o critério de Hoek-Brown, especificamente para os de muito má qualidade.

Outro erro foi afirmar que o parâmetro RQD, utilizado para determinar o RMR, é muito difícil de obter em maciços rochosos de muito má qualidade, já que pode aproximar-se ao zero. De fato, este aspecto foi estudado em 1989 e publicado em vários artigos que assinalavam que o RQD foi usado originalmente tanto na classificação RMR como no Q, porque contava com a vantagem de ter-se determinado num grande número de casos históricos. Este parâmetro equivalia, em certa forma, ao espaçamento das descontinuidades devido a que existiam correlações entre o RQD e o espaçamento, (Figura 3), que conduziram ao conceito de “densidade de descontinuidades” introduzido no RMR em 1989. A união destes dois parâmetros num único conceito permitiu usá-los de maneira vantajosa em duas situações: a primeira durante a campanha de sondagens em superfície, onde se utilizava o RQD como parâmetro principal na determinação da densidade de descontinuidades, uma vez que não havia acesso à frente do túnel para medir o espaçamento das mesmas. E na segunda, quando no interior de um túnel se tinha acesso à frente, mas não se disponha de sondagens, onde o RQD podia ignorar-se e utilizar o espaçamento das descontinuidades para obter o valor da densidade a partir da Figura 3.

Está claro que as classificações quantitativas RMR y Q são iguais ou mais adequadas para maciços rochosos de muito má qualidade que o índice qualitativo GSI.


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Figura 3.-Correlação entre o RQD e o Espaçamento (Bieniawski 1989)

Por último, uma prova de aplicação da classificação RMR para avaliar os maciços rochosos de muito má qualidade é obtida através da observação dos numerosos casos históricos da Figura 4, onde se pode ver uma correlação entre o RMR e o Q publicada no ano 1976. No gráfico pode-se observar uma notável dispersão de resultados. Portanto num determinado projeto deve-se usar as duas classificações para comprovar que se pode aplicar a correlação:

RMR = 9 ln Q + 44

(a mesma correlação também é encontrada na literatura como RMR = 9 loge Q + 44). Esta expressão não é válida ao utilizar-se o GSI no lugar do RMR.


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Figura 4.-Correlação entre RMR e Q (Bieniawski 1976)

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO

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MITO Nº 3: O CRITÉRIO DE HOEK-BROWN E O CRITÉRIO DE MOHR-COULOMB SÃO OS ÚNICOS PARA ESTIMAR A RESISTÊNCIA DOS MACIÇOS ROCHOSOS E O FATOR DE SEGURANÇA.

Não é verdade, o critério de Mohr-Coulomb do ano de 1773 (!) serve para bastantes coisas, em particular para a análise da estabilidade de encostas, mas existem outros critérios de resistência de pico – igualmente efetivos – por exemplo, o critério de Yudhbir-Bieniawski (1983) que se utiliza para comparar os resultados de Hoek-Brown (Edelbro et al, 2006).

Ainda que o critério de Hoek-Brown seja mais conhecido e usado com mais freqüência nos cálculos com computador, o critério de Yudhbir (1983), baseado em Bieniawski (1974), merece ter-se em conta para comprovar as estimativas da resistência do maciço rochoso, e que resulta necessário, pois este valor é muito difícil de ser medido diretamente. Estes dois critérios estão apresentados na Tabela 2.

TABELA 2.-Os critérios de colapso (Hoek et al. 2002, Bieniawski 1989)

Critério de ruptura do maciço rochoso Parâmetros e definições

Generalizado por Hoek-Brown (2002)

a

CbC sm ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

σσσσσ ''' 3

31

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=D

GSImm ib 1428100exp

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=D

GSIs39100exp

( )3/2015/

61

21 −− −+= eea GSI

mi: constante da rocha intacta mi = f (tipo de rocha) p.ex: arenisca mi = 12-17

mb : valor minorizado da constante mi s y a: constantes do maciço rochoso D : Fator de perturbação

Modificado por Yudhbir-Bieniawski

75.0

31001⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

C

RMR

c

BAσσ

σσ

20100−

=RMR

eA

A : constante do maciço rochoso A = f (qualidade do maciço) p.ej: A=1 para rocha intata

B : constante da rocha intata B = f (tipo de rocha) p.ex. arenisca B = 4.0

Se se pretende aplicar o critério de Hoek-Brown é necessário conhecer o RMR ou o GSI e a constante da rocha mi. Atenção que as equações originais (1988) para determinar os parâmetros mb (designada como m em 1980) e s do critério de Hoek-Brown (Tabela 3), baseiam-se no RMR (depois de Priest e Brown, 1983), e muitos engenheiros ainda as consideram as mais apropriadas.


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Posteriormente (Hoek et al., 1995) estas equações sofreram alterações ao substituir-se o RMR pelo GSI, embora mantivessem as mesmas expressões. O critério original incluía também um termo exponencial, onde a potência a tinha o valor de 0,5, em vez da complexa e variável expressão usada hoje em dia (que proporciona um valor máximo para a de 0,666).

Mais recentemente, Malkowski (2010) estudou pormenorizadamente estes aspetos. Determinou em que medida o valor de GSI afeta as constantes empíricas mb e s, assim como a resistência do maciço rochoso σM. Como se verifica na Tabela 3, os cálculos de Malkowski demonstram que uma variação de 5 pontos no GSI, de 35 a 40, resulta num aumento dramático nos seguintes valores: 37% em σM , 20% no parâmetro mb e 33% no módulo de deformação EM. O parâmetro s aumenta 85%!

TABELA 3.- Parâmetros mb e s, resistência σM e módulo de deformação EM para diferentes valores de GSI com σc = 50 MPa e mi = 10 (de Malkowski, 2010)

GSI mb s σM (MPa) EM (GPa)

35 0,981 0,0007 1,204 2,982

40 1,173 0,0013 1,654 3,976

45 1,403 0,0022 2,241 5,303

50 1,677 0,0039 3,011 7,071

55 2,005 0,0067 4,022 9,429

60 2,367 0,0117 5,350 12,574

65 2,865 0,0205 7,099 16,768

70 3,425 0,0357 9,401 22,361 Para os cálculos anteriores faz falta a constante empírica da rocha mi para obter a mb do critério Hoek-Brown (como se observa na Tabela 2).

O valor real da constante da rocha mi depende de vários fatores e pode variar consideravelmente de uma para outra, segundo as tabelas publicadas por Hoek e Brown em 1995. Mais tarde, foi colocado à disposição do público o programa RocLab (www.rocscience.com), que proporciona estimativas de mi. Além disso, foram muitos os investigadores que realizaram testes triaxiais sobre a rocha intacta, mas a escolha do valor mi, continua a ser bastante subjetiva.


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Muito recentemente, Kwasniewski realizou 625 testes triaxiais (Malkowski, 2010) sobre 75 tipos de rochas e 46 tipos de carvão de várias partes do mundo, tendo concluído que os desvios-padrão resultavam demasiado grandes, que embora houvesse uma certa convergência na classificação dos valores para algumas rochas, a dispersão dos valores expressava dúvidas sobre a fiabilidade em aplicações práticas, por isso recomendou revisar e comparar os resultados.

Devido às incertezas, já assinaladas, para quantificar o GSI e dada a importância do critério de Hoek-Brown, é prática freqüente na Europa determinar primeiro o RMR e converter-lo em GSI utilizando a expressão GSI = RMR – 5, como recomendavam Hoek et al. (1995). Contudo, como se indicou anteriormente, esta equação só é válida para maciços rochosos de muito má qualidade.

Também muito recentemente, Brown (2008) reavaliou o critério de Hoek-Brown, ao proporcionar uma revisão dos seus usos, abusos e limitações, explicando que o critério se criou para ser usado como estimativa aproximada das resistências do pico dos maciços rochosos em estudos preliminares de projetos de engenharia de rochas, que incluíram escavações subterrâneas. O autor assinalou três aspetos que necessitavam de cuidados especiais, que são as seguintes:

“(1) O critério não deve ser usado em casos em que apareçam apenas uma ou duas famílias de descontinuidades.

(2) Existe um limite na classificação de valores do GSI para que o critério se possa aplicar com confiança: deve-se ter cuidado quando se trabalha com colapsos frágeis em rochas resistentes e massivas com valores de GSI superiores a 75, e do mesmo modo, deve-se ter especial cuidado com os valores baixos do GSI, inferiores a 30, e casos com σc baixo, assim como com as rochas heterogêneas tectonizadas. Nestes casos, a estimativa dos valores do GSI é um trabalho para especialistas experientes, uma vez que o critério Hoek-Brown pode não ser aplicável em rochas muito brandas com σc < 15 MPa, onde o parâmetro a pode ultrapassar o seu valor máximo de 0,666 e aproximar-se a um valor que normalmente está associado a solos.

(3) O fator de perturbação D está sujeito a erros significantes quando aplicado à totalidade do maciço rochoso, em vez de unicamente a uns poucos metros da zona perturbada”.•

Portanto, parece ser necessário comprovar e comparar os resultados proporcionados pelo critério de Hoek-Brown. Isto pode-se conseguir com o apoio do critério de Yudhbir-Bieniawski, como assinalado num estudo de Edelbro at al. (2006), onde se comparou todos os critérios disponíveis com valores medidos (Tabela 5).

• O factor de perturbação D introduzido no indice GSI não é necessário quando se usa o sistema RMR, pois um fator Ab de ajuste mais fácil forma parte do procedimento do RMR para caracterizar a qualidade da voladura.


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O critério de Yudhbir-Bieniawski está na Tabela 2. A constante A também pode ser obtida de A = exp(0.042RMR-4.167). A constante B é obtida a partir de testes triaxiais sobre os lipotipos rochosos, na Figura 5 estão representados ajustes para cinco deles (Bieniawski, 1974).

A constante α adota aqui um valor de α = 0.75, mas há exceções para algumas rochas, por exemplo, o carvão de Pittsburgh caracteriza-se melhor com α = 0.65 e com B = 4.4.

Figura 5.-Esforços no colapso a compressão triaxial para diferentes rochas (Bieniawski 1974)


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TABLA 5.- Resistência do maciço rochoso σM estimada pelos critérios de Hoek-Brown e de Yudhbir-Bieniawski comparada com os resultados de ensaios reais a grande escala (segundo Edelbro et al, 2006)

Laisval Case, σM = 19.8 MPa +/-1.4MPa, σC = 180 MPa RMR = 47 +/- 18

Critério σM (MPa) σmin (MPa) σmax (MPa)

Hoek-Brown-RMR (1980) 34,5 12,0 74

Hoek-Brown-GSI (2002) 15,0 2,5 50

Yudhbir-Bieniawski 16,3 4,2 53

Sheorey-RMR (1989) 37,0 15,5 81

Do anterior estudo, Edelbro et al (2006) concluíram que os critérios de Hoek-Brown e de Yudhbir-Bieniawski proporcionam “uma razoável coincidência com as medidas de resistência e são (apesar da amplia classificação entre os valores mínimos e máximos) os melhores candidatos para estimar a resistência de forma realista, sempre que haja cuidado na eleição dos valores de cada um dos parâmetros em cada método”. Contudo, a concordância com a resistência medida foi relativamente escassa, o que implica que não se podem esperar estimativas precisas com nenhum dos critérios.

Para finalizar, todos os critérios anteriores assumem que os maciços rochosos são homogêneos e isótropos, e como assinalam os próprios autores “não devem ser utilizados para analisar maciços rochosos anisotrópicos ou com forte controle estrutural”. Como assinalou Brown (2008), até que se desenvolva uma metodologia fundamentada na avaliação explicita dos fatores que influenciam as propriedades mecânicas dos maciços rochosos, os critérios empíricos continuarão a ser a única alternativa. Portanto acredito piamente que é muito importante comprovar e comparar sempre os resultados e não depender unicamente de um método.


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MITO Nº4: A MELHOR FORMA DE ESTIMAR O MÓDULO DE DEFORMAÇÃO É A PARTIR DE QUALQUER DAS CORRELAÇÕES QUE SE ENCONTRAM NA LITERATRURA DE MECÂNICA DE ROCHAS.

Não é verdade, umas correlações estão mais apoiadas que outras e algumas, se não estão confirmadas com ensaios in situ, devem-se evitar. Mas há uma grande diferença entre “determinar” e “estimar” a deformação do maciço rochoso: determinar é muito desejável; estimar baseia-se na ausência de dados in situ fiáveis e para desenhos preliminares.

Este mito refere-se ao módulo de deformação do maciço, imprescindíveis no desenho de obras subterrâneas para determinar deformações e deslocamentos num túnel submetido à pressão litostática e a esforços induzidos. Este dado pode ser obtido a partir de testes in situ, tais como testes de placa de carga ou macaco em grande escala, testes fiáveis, mas muito caros e de longa duração, que por isso raramente são usados hoje em dia, apenas em casos muito especiais (armazenamento subterrâneo de resíduos nucleares). Este valor também pode ser obtido a partir de uma classificação geomecânica, que tenha sido considerada adequada para este propósito. De fato, o sistema RMR foi o primeiro que propôs (em 1978) uma correlação direta entre a qualidade do maciço rochoso e o módulo de deformação em campo EM, como se mostra na Figura 6, em vez de se usar a relação entre o módulo de elasticidade de laboratório EC e EM. A correlação baseou-se em numerosos testes in situ cuidadosamente supervisados e analisados, em que os dados obtidos serviram de base para estudos posteriores.

Figura 6.-Correlação entre o RMR e o módulo de deformação do maciço rochoso EM

(Palmström e Singh 2001)


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Alguns desses estudos foram muito úteis, por exemplo, para aumentar a validade da correlação original aos maciços rochosos de qualidade inferior (Serafim e Pereira, 1983); outros não foram tão úteis, pois introduziram desnecessariamente outra variável, resistência a compressão simples da rocha intacta σc, que só contribuiu com a incerteza inerente aos procedimentos dos ensaios de laboratório. O tema também se complicou ao utilizar-se o índice qualitativo GSI em vez das correlações quantitativas e apoiadas por testes de campo baseados no RMR, composto por parâmetros medíveis e, por isso, preferíveis para a engenharia e para as estimativas descritivas. O argumento de que os dados qualitativos são mais simples e mais baratos está completamente errado, trata-se de um passo atrás ao adicionar mais empirismo a um enfoque já por si empírico. Contudo, alguns gestores aceitam este raciocínio tão limitado. Assim, a equação apresentada em seguida, que inclui a resistência a compressão simples σc, deve-se evitar. Visto que o índice GSI tem como única função proporcionar dados ao critério Hoek-Brown, o seu papel para determinar o módulo de deformação é secundário e deve-se recorrer ao RMR para se ser muito mais minucioso. Por exemplo, o fator de perturbação D introduzido no índice GSI é desnecessário quando se utiliza o sistema RMR, uma vez que existe um fator facilmente ajustável Ab para avaliar a qualidade da detonação que forma parte dos procedimentos do RMR.

Observe-se que a substituição do GSI pelo RMR na segunda equação e na Figura 6 está incorreta, pois não há equivalência entre a classificação RMR e o índice GSI, exceto para rochas de uma qualidade excepcionalmente má, como a que se demonstrou nos apartados anteriores.

Em resumo, recomendam-se as equações incluídas na Figura 6 para as duas classificações de RMR, visto que são as que melhor se ajustam aos dados experimentais e possuem um enfoque realista, para além de se basearem em trabalhos de Palmström e Singh, 2001. Utilizar as duas classificações de RMR tem a vantagem de que o módulo NÃO se sobrevaloriza na categoria superior de valores nem se subestima na inferior, resultando mais realista que ao usar uma equação sigmoidal.

Se se dispõe de dados de laboratório do módulo de elasticidade da rocha intacta, estes podem-se incluir na formula para determinar o módulo de deformação do maciço, porque os procedimentos para obter os módulos no laboratório estão melhor padronizados que as determinações da resistência σc em laboratório.


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Desta forma, para estimar o módulo de deformação podem utilizar a formula de Galera et al (2005):

EM (GPa) = EL 36100−RMR

e

onde EL é o módulo de deformação da rocha intacta, determinado em laboratório.

Galera (2007) também obteve uma fórmula útil que inclui quer o módulo do maciço rochoso EM quer a resistência do maciço rochoso σM, que é:

EM / EL = { σM / σC }2/3

onde EL e σC são valores do módulo e a resistência a compressão uniaxial, respectivamente determinados em laboratório.

A fórmula anterior tem o mérito de resultar útil como comprovação, já que está de acordo com um antigo conceito proposto por Deere e Miller em 1966: a representação da relação esforço-deformação através do “Modulus Ratio (MR)”, que se mostra na Figura 7, propondo que ante a ausência de dados, EL pode obter-se a partir da relação:

EL = MR σC. Palmström e Singh (2001), assim como Hoek e Diederichs (2006),

atualizaram os valores de MR para diferentes rochas.


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Figura 7.- O conceito de Modulus Ratio (MR): uma representação da relação esforço-deformação para a rocha intacta e maciços rochosos (Deere e Miller 1966)

Mais recentemente. Ván e Vásárhelui (2010) propuseram duas fórmulas similares:

EM / EL = σM / σC = 22100−RMR

e e EM / σM = MR e2(RMR−100)

100 onde MR é o modulus ratio representativo de uma rocha em concreto

segundo as tabelas de Palmström e Singh (2001), por exemplo para grês; MR = 257 (σC=109 MPa, EL=28 GPa).


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Como é óbvio, as fórmulas anteriores ainda não se confirmaram com dados experimentais, e as correlações empíricas não devem substituir os testes in situ nos desenhos definitivos. Sem dúvida alguma, o hábito de prescindir dos testes in situ, inclusive em grandes projetos, é lamentável, põe em perigo com demasiado freqüência a segurança do projeto com a desculpa de pouco tempo e de um orçamento limitado.

MITO Nº5: BASEAR-SE EM EXEMPLOS ESTUDADOS E DESENVOLVIDOS NO CAMPO DA ENGENHARIA CIVIL DE TÚNEIS É SUFICIENTE.

Um grande engano! Há uma quantidade valiosa de informação que podemos obter dos “nossos primos”, os engenheiros de minas, que podemos aplicar na engenharia civil.

Tanto os engenheiros civis como os de minas têm grande tradição e suficientes conquistas no desenho e construção de túneis de obras civis e galerias mineiras, cavernas e chaminés. Contudo, é notória a escassa interação entre as duas disciplinas, sendo isto particularmente evidente no que se refere às classificações do maciço rochoso. Como estou envolvido em ambos os campos e me esforcei durante anos em integrar nos meus projetos equipes de engenheiros civis, de minas e geólogos, estou convencido de que se perdem excelentes oportunidades por não se trocarem idéias. Por exemplo, as aplicações de RMR às explorações mineiras for afogamento em rochas resistentes do Chile e da Austrália, o denominado RMR mineiro, ou às galerias de carvão norte americanas em representação do minério em rochas brandas, o denominado Valor máximo das minas de carvão (Coal Roof Mine Rating), proporcionaram grandes avanços no desenho dos apoios de escavações subterrâneas com grandes vãos e na estabilidade dos pilares de carvão ou rocha, incluindo os efeitos da pressão litostática e os esforços induzidos pela mina (Figuras 8 e 9).


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Figura 8.-RMR e Fatores de ajuste (Bieniawski 1989)

Figura 9.-Esquema da classificação RMR para aplicações mineiras (Kendorski et al. 1983)


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O desenho dos pilares é uma área específica em que os engenheiros civis podem beneficiar das investigações e experiências dos seus colegas de minas. Trata-se do dimensionamento dos pilares de rocha, tendo em conta o efeito da sua forma e a resistência do maciço rochoso, σM. A conhecida equação para este propósito (Bieniawski, 1984), muito utilizada em minas dos Estados Unidos é:

σpilar = σM [ 0.64 + 0.36 w/h ]

Onde: σpilar – resistência global do pilar, MPa. σM – resistência unitária in situ do maciço rochoso (1m3), MPa. Figura 10a w – largura do pilar, m. h – altura do pilar, m. A resistência à compressão uniaxial do maciço rochosos, σM determinou-se a partir do critério de Kalamaras-Bieniawski em1995 (Figuras 10a), que é também muito útil para projetos de engenharia civil respeitantes a túneis e câmaras subterrâneas.


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Figura 10a.-Um critério de colapso para maciços rochoso em função do RMR (Kalamaras e Bieniawski 1995). (Os dados experimentais desta figura procedem dos testes in situ recopilados por Aydan e Dalgic (1998)).

Figura 10b.- A correlação direta em função do RMR (Aydan, Ulusay e Kawamoto 1997) (Aydan e Dalgic (1998))

SOLUÇÕES

As classificações geomecânicas RMR e Q desenvolvem-se de forma independente em 1973 e 1974 com o objetivo comum de quantificar preliminarmente as características do maciço rochoso com base a descrições geológicas qualitativas. Sempre se destacou a importância de um minucioso reconhecimento geológico. Também se assinalou em repetidas ocasiões que estes sistemas de classificação não são “livros de cozinha”, estes sistemas devem-se usar para o propósito para o qual foram desenvolvidos: formar parte do processo do desenho dos projetos de engenharia. Este processo é repetitivo quando aplicado a obras subterrâneas, onde o reconhecimento detalhado do terreno deve ser atualizado diariamente.


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Na época em que se desenvolveram as classificações de RMR e Q, os geólogos trabalhavam muitas vezes com diferentes equipes de engenheiros, o que desencadeou grandes mal entendidos sobre a finalidade do projeto. De fato, a chegada das nossas classificações geomecânicas parece ter proporcionado a oportunidade de combinar os esforços de engenheiros e geólogos para atuar como uma única equipe, para atender as necessidades de procedimentos claros na engenharia básica de túneis e os requerimentos de informação geológica quantitativa e cuidadosamente selecionada. Como se observa na Tabela 6, isto levou ao desenvolvimento de muitas variantes na classificação para diferentes fins, tais como os túneis, as atividades mineiras, a estabilidade das encostas e as fundações das barragens.

Âmbito da aplicação das classificações RMR e Q.

As classificações RMR e Q são especialmente adequadas no planejamento

do projeto de um túnel, onde é necessária uma apreciação preliminar do apoio mais adequado, baseando-se nos resultados das sondagens, na cartografia geológica e nos estudos geológicos de refração sísmica. Durante a construção é essencial aplicá-las, uma vez que a idoneidade dos apoios é comprovada diariamente. As razões para isto são as seguintes:

1) O RMR e o Q surgiram, e atualizaram-se especificamente, para fazer

uma estimativa do apoio dos túneis. Mais tarde foram utilizados para avaliar as propriedades do maciço rochoso, como o módulo de deformação, para a interpretação das velocidades sísmicas, e como complemento na análise dos dados de auscultação durante a construção através das relações entre a convergência, qualidade do maciço rochoso e as dimensões do túnel.

2) Estimar as propriedades do maciço rochoso para incluí-las nos modelos

numéricos demonstrou ser uma alternativa competitiva face aos caros e complexos testes in situ, que se baseiam numa serie de hipóteses interpretativas dos dados. É curioso que os testes de placa de carga, o macaco a grande escala e as células de pressão hoje raramente se usem, devido ao seu custo e às dúvidas que suscitam sobre o comportamento da zona da escavação perturbada.

As classificações RMR e Q proporcionam estimativas realistas para os

modelos e, através das medições sísmicas e sua correção, podem ajudar a conhecer as características da zona perturbada.

3) Uma adequada auscultação e o registro de uma ou ambas classificações

geomecânicas durante a construção do túnel é fundamental para quantificar as condições existentes no maciço rochoso e selecionar o tipo de apoio mais


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adequado, sendo também útil no caso de disputas contratuais, peritagens e modificações no projeto.

TABELA 6.- Principais classificações geomecânicas na Engenharia

NOME AUTOR E DATA PAÍS DE ORIGEM APLICAÇÕES

1. Carga em rochas Terzaghi, 1946 Estados Unidos Túneis com apoio em aço

2. Tempo de autoestabilidade Lauffer, 1958 Áustria Túneis

3. Novo método austriaco de construçao de túnei (NATM) Pacher, Rabcewicz, 1964 Áustria Túneis

4. Rock QualityDesignation (RQD) Deere et al., 1967 Estados Unidos Resultados de sondagens, túneis.

5. Rock Structure Rating (RSR) conceito

Wickham et al., 1972 Estados Unidos Túneis

6. Rock Mass Rating (RMR) sistema

Bieniawski, 1973 Modificado en 1989

África do Sul e Estados Unidos Túneis, minas, encostas e fundações

Weaver, 1975 África do Sul Escavabilidade

Laubscher, 1976 África do Sul Atividades mineiras em rochas duras

Olivier, 1979 África do Sul Resistência a intempéries

Ghose y Raju, 1981 Índia Atividades mineiras de carvão

Moreno Tallon, 1982 Espanha Túneis

Kendorski y Cummings, 1983 Estados Unidos Atividades mineiras em rochas duras

Nakao et al., 1983 Japao Túneis

Serafim y Pereira, 1983 Brasil Fundações

Gonzalez de Vallejo, 1983 Espanha Túneis

Ünal, 1983 Estados Unidos Atividades mineiras em carvão com chave de acionamento bloqueada

Romana, 1985 Espanha Estabilidade de encostas

Newman, 1985 Estados Unidos Minas de carvão

Sandbak, 1985 Estados Unidos Perforabilidade

Smith, 1986 Estados Unidos Facilidade para dragagem

Venkateswarlu, 1986 Índia Atividades mineiras de carvão (CMRS)

Robertson, 1988 Canadá Estabilidade de encostas

Thiel, 1985 Polónia Flysch dos Cárpatos

Ünal, 1996 Turquia Rochas brandas, carvão.

Extensiones al sistema RMR

Pakalnis et al., 2007 Canadá Atividades mineiras em rochas brandas

7. Sistema Q Barton et al., 1974 Noruega Túneis, cavernas

Kirsten, 1982 África do Sul Escavabilidade

Kirsten, 1983 África do Sul Túneis Extensiones al sistema Q

Barton, 2000 Noruega, Brasil Túneis com TBM

8. Resistencia-tamaño Franklin, 1975 Canadá Túneis

9. Clasificación unificada Williamson, 1984 Estados Unidos Geral, comunicações

10. Coal Mine Roof Rating (CMRR) Molinda y Mark, 1994 Estados Unidos Minas de Carvão

11. Geological Strength Index Hoek et al., 1995 Canadá Caracterização de maciços rochosos


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(GSI)

12. Rock Mass index (RMi) Palmström, 1995 Noruega Engenharia de rochas

13. Deutsche Steinkohle Witthaus, 2006 Alemanha Minas de carvão

14. Rock Mass Excavability (RME) Bieniawski et al., 2007 Espanha Túneis com TBM

4) A tecnologia avançou muito nos últimos 38 anos, desde que se

desenvolveu a classificação RMR, por isso devem rever os métodos e elementos de apoio. Ocasionalmente realizam-se atualizações importantes, como a substituição da malha pela fibra.

5) O RMR e o Q são eficazes quer nos maciços de muito má qualidade

quer nos maciços rochosos de boa qualidade, e é incorreto afirmar que os métodos descritivos alternativos são preferíveis nos maciços rochosos de má qualidade. Da mesma maneira que as técnicas da engenharia geológica melhoram com o avanço da tecnologia, os nossos sistemas quantitativos de classificação serão sempre preferíveis a qualquer avaliação qualitativa do tipo descritivo.

6) Tanto o Q como o RMR são a base dos novos métodos de previsto do

avanço das tuneladoras, na forma de QTBM e do RME, que geraram tanto apoiantes como opositores, o que é de esperar numa especialidade tão dinâmica como a nossa.

7) Para finalizar, visto que as classificações geomecânicas formam parte de

uma aproximação empírica, deve-se ser cuidadoso, pois as soluções que se obtêm são estimativas, não são universais face à complexidade que tem uma aproximação empírica. Barton (2007) deu um exemplo relativo à formula de Hoek-Brown mostrada na Tabela 7 e que se baseia no GSI, chamando-lhe: “fórmulas extraordinariamente complexas (à esquerda) criadas para proporcionar dados a alguns modelos contínuos recentes, nos quais não seja possível ter em conta a influência de variações locais de qualidade da rocha sobre a resistência do maciço rochoso, a deformação, o ângulo de fricção e coesão, quando a fórmula exige mais do software que apenas estimativas.

Talvez como resultado das pressões de orçamento e de prazo, tem havido

uma clara tendência para usar códigos contínuos “apropriados”, que oferecem uma excelente representação gráfica dos resultados. Também estão disponíveis programas simples para trabalhar com as equações complexas da Tabela 7, de forma a que o usuário necessite unicamente um conhecimento limitado dos conceitos de mecânica de rochas para usar estes códigos “com sucesso”. Como resultado, o relatório de um consultor podia contar com nada mais que distribuições de esforços e padrões de deformação coloridos. Mas representam todas estas cores algo real? Que aproximação continua foi realizada? A realidade é que usar corretamente códigos sofisticados, com dados iniciais realistas, exige


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experiência, tempo e orçamento. Ironicamente, os dados iniciais exigidos por alguns modelos contínuos parecem ser agora ainda mais complexos que os dados exigidos para os códigos descontínuos, como se verifica na Tabela 7.

TABLA 7.- As extraordinárias complexas fórmulas (à esquerda) exigidas para os

modelos contínuos em comparação (à direita) com as suas fórmulas equivalentes (modificado de Barton 2007)

onde: ( )3/2015/

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21 −− −+= eea GSI

Para além de tudo o que já foi dito, a precisão das fórmulas da esquerda da

Tabela 7 carece de sentido quando, em qualquer caso, os fatores de segurança (também conhecidos como fatores de ignorância!) formam parte do desenho do túnel. Eles protegem-nos dos erros, dos grandes desvios-padrão e permitem-nos estudar casos com uma considerável margem de segurança, com fator ao redor de 1,5 em túneis, 2 em grandes cavernas e 3 ou mais em grandes barragens!


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"Os Dez Mandamentos" no uso das classificações RMR e Q Para evitar a confusão, gostaria de enumerar “dez mandamentos” para o

correto uso das principais classificações geomecânicas (Barton y Bieniawski, 2008).

I. Ter a certeza que os parâmetros da classificação são quantitativos (estão

medidos e não apenas descritos), adequados, provenientes de testes normalizados, pertencentes a cada região estrutural geológica, que são baseados em sondagens, galerias de exploração e cartografia geológica de superfície, para além de uma refração sísmica que permita interpolar entre o inevitável escasso número sondagens.

II. Continuar com os procedimentos estabelecidos para classificar os

maciços rochosos com o RMR e Q, e determinar as categorias de variação típica e os valores médios.

III. Utilizar as duas classificações e comprovar os valores obtidos com as

correlações publicadas entre Bieniawski (1976) e Barton (2008).

Figura 11.- O comprimento dos túneis construídos por perfuração e detonação, dependendo RMR (Bieniawski, 1989). Os quadrados pretos representam os casos de mineração.


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IV. Realizar uma estimativa do maciço rochoso, em particular do módulo do maciço (para usá-lo em modelos numéricos), ver Figura 6, e o tempo de auto-estabilidade, segundo a Figura 11. Não esquecer de incluir um ajuste para os túneis construídos com TBM, como se mostra na Figura 12.

Figura 12.- Relação entre o RMR para a escavação com explosivos e para a escavação com tuneladora TBM (Alber, 1993)


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Figura 14.- Gráfico para a seleção de apoio de um túnel (Barton e Bieniawski 2007) V. Realizar uma estimativa das necessidades preliminares de (Figura 14),

aplicando as duas correlações na seleção. VI. Utilizar os modelos numéricos, obtendo fatores de segurança, e

comprovar que se dispõe de informação suficiente. Usar pelo menos dois critérios de comparação e cruzar os dados obtidos com o critério de Hoek-Brown.

VII. Se não se dispõe de informação suficiente, admitir que o método de

desenho iterativo exige uma exploração geológica mais intensiva e de novos testes, por exemplo, medições do estado de tensão se for necessário.


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VIII. Ter em conta o processo de construção, e no caso de estudos de viabilidade das tuneladoras, realizar uma estimativa do avanço, usando o QTBM e o Índice de Escavabilidade de maciços rochosos RME.

IX. Ter a certeza de que toda a informação sobre o maciço rochoso está

incluída num Relatório Geotécnico para Especificidades do Desenho que trate da metodologia do desenho, das hipóteses, de estimativas assumidas e dos desvios-padrão dos dados.

X. Realizar os levantamentos do RMR e do Q à medida que avance a

construção, de maneira que se possam comparar as condições previstas com as reais com o objetivo de verificar o desenho ou realizar modificações oportunas.

Naturalmente não é necessário lembrar que devem ser incluídos testes de

laboratório, que estejam de acordo com a normativa e que contem com um orçamento adequado. Os engenheiros e os geólogos devem trabalhar em equipe e comunicar regularmente entre si e com o cliente.

CONCLUSÕES Os erros na caracterização dos maciços rochosos, em geral, o uso das

classificações geomecânicas e os critérios de resistência e de deformação, em particular, exigem uma atenção especial, como certamente o demonstram numerosos casos recentes de colapsos em túneis.

Face aos critérios de resistência, esta apresentação não se manifesta contra o

Índice Geológico de Resistência - GSI ou o critério de Hoek-Brown, que são métodos úteis quando utilizados corretamente. Simplesmente, devemos ser conscientes das suas limitações e ser cuidadosos com as estimativas realizadas através de programas comerciais, que podem estar erradas. Assim, recomendo que comparem sempre, com muito cuidado, os resultados de vários métodos alternativos.

O objetivo desta apresentação foi de estimular o diálogo sobre os aspetos

mais relevantes deste tema, destacar as soluções que disponibilizam aos engenheiros e geólogos e pressionar para que se atue de forma adequada no planejamento e desenho dos projetos, assim como na construção, recomendando a revisão e a comparação das hipóteses assumidas e a metodologia aplicada.


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Documents

Erros Na Aplicação Das Classificações