Centro Técnico de Educação Profissional

Curso Técnico em Mineração

Mecânica das Rochas

Professora Érika Mendes

Miraí – MG

Maio – 2012

Centro Técnico de Educação Profissional

Curso Técnico em Mineração

Mecânica das Rochas

Trabalho apresentado pelo aluno

Thiago de Meira Rezende à

professora Érika Mendes da disciplina

Mecânica Aplicada.

Miraí – MG

Maio - 2012

Introdução à Mecânica das rochas

A Mecânica das rochas refere-se ao comportamento mecânico das mesmas, incluindo os maciços rochosos que visa estudar as rochas no que diz respeito aos campos de forças externas a que estão sujeitos no seu ambiente natural ou físico. Na mineração possui como alvo principal a escavação. Sendo que este campo estar relacionado mediante a escavação de uma abertura produzida por meios mecânicos.

Sabendo-se que este processo é de suma importância na área da mineração, pois a rocha é considerada o principal material de construção e também o principal produto do processo de escavação.

Estados de tensões nos maciços rochosos

O conhecimento do estado de tensões em maciços rochosos é de fundamental importância para os trabalhos envolvendo a mineração.

Os maciços rochosos estão relacionados mediante a junção de uma rocha, descontinuidades e água. Estes são os principais componentes inseridos no universo dos maciços rochosos que tem como função primordial alterar o comportamento no seu ambiente natural ou físico.

As tensões estão relacionadas à tendência de deslocamento relativo das partículas de um corpo visando alterações externas no interior da rocha. O estado de tensão no interior de um maciço rochoso varia frequentemente no que diz respeito aos vários ângulos do mesmo, ou seja, a direção dos componentes essenciais que o definem e o transformam completamente.

As tensões podem ser divididas em:

Tensões Naturais – São aquelas que existem nas rochas por efeito de algum tipo condicionante anterior, ou seja, efeito gravitacional, estrutural, dentre outros.

Tensões Induzidas – Estão associadas com perturbações artificiais, ou seja, escavação, perfuração, dentre outros. É importante ressaltar que na escavação ocorre uma profunda modificação no estado natural de tensões devido a redistribuição no maciço realizado com a pressão e, consequentemente, ocorrendo ruptura ocasionada com os esforços praticados.

Estimação e medição

A caracterização de um maciço rochoso a partir da sua deformabilidade é um dos principais problemas que qualquer estudo geotécnico deve enfrentar caso desejam-se realizar cálculos tensão-deformação para a execução e desenho de estruturas.

Através de pesquisas, notei que a natureza do maciço rochoso é muito complexa, pois, são necessárias ferramentas teóricas que permitem estimar, medir, analisar e controlar o seu comportamento.

Devido ao fato abordado no parágrafo anterior, com o objetivo fundamental de resolver esse problema, são idealizados, por especialistas, modelos teóricos que só conseguem analisar um determinado processo em um tempo e um espaço determinado, no qual o bom senso e a experiência prática são partes importantes.

É importante sabermos que uma amostra de rocha intacta em laboratório é muito menor que um maciço rochoso que, muitas vezes contem certo número de planos de fraqueza. Devido a isso, o comportamento mecânico do maciço rochoso é bastante diferente do material ensaiado no laboratório. Para determinar os parâmetros que caracterizam os maciços rochosos têm-se três possibilidades a considerar: estimar os valores in situ dos resultados obtidos no laboratório, utilizar correlações empíricas e executar in situ.

Antes de fazer uma revisão das principais técnicas de medida, é necessário lembrar algumas definições básicas que são importantes no momento de escolher alguma técnica de medição, principalmente no que diz respeito à Matriz rochosa e às Descontinuidades.

O maciço rochoso é meio não homogêneo e descontínuo cujas propriedades resistentes e deformacionais não podem ser medidas no laboratório, pois existe uma diferença muito apreciável entre os valores que se obtém nos ensaios de laboratório e os que se obtém dos ensaios realizados in situ, diferença que é conseqüência do volume afetado em cada caso e que é conhecido como efeito de escala. O efeito escala é a conseqüência mais importante do caráter heterogêneo e descontínuo dos maciços rochosos.

Os parâmetros geomecânicos de descontinuidades podem ser determinados estimativamente, por ocasião do mapeamento geológico-geotécnico de superfície ou a partir de testemunhos de sondagens rotativas.

Fluxo em maciço rochoso

O fluxo de água subterrânea geralmente altera a condição de estabilidade dos taludes. As principais razões para este fato são:

Variação da pressão que atua nas superfícies de descontinuidades, ocasionando aredução da resistência ao cisalhamento existente, e originando forças ativas que tendem a induzir as rochas ao deslizamento;

Alteração da textura e estrutura da rocha ou mesmo destruição e alteração do seugrau de coesão ou consistência;

Destruição, transporte ou mudança do grau de coesão do material de preenchimento.

De acordo com Hoek e Bray ( 1981 ), há duas maneiras de se obter os dados relativos às distribuições de pressão da água dentro do maciço rochoso:

A dedução do padrão de fluxo de água subterrânea a partir da avaliação da permeabilidade do maciço rochoso e da avaliação das fontes de água;

Medida direta dos níveis de água em furos de sonda ou poços, ou a medida da pressão de água através de piezômetros instalados nos furos de sonda.

Pode-se dizer que as hipóteses clássicas para a análise do fluxo de água subterrânea em taludes em rocha são:

O fluxo ocorre somente através de fissuras ou descontinuidades, e a permeabilidade da rocha é considerada insignificante, como primeira aproximação.

O movimento do fluxo é laminar. Condições de fluxo turbulento somente ocorrem quando existem valores muito grandes em relação à abertura das descontinuidades e gradientes hidráulicos mais altos do que os normais.

O fluxo de água através de microfraturas da rocha e o fluxo turbulento em fissuras com superfícies rugosas são dois fenômenos que podem também ocorrer, quando existem problemas de estabilidade de taludes em rocha.

Quando as rochas são solúveis, as falhas e/ou fraturas ocasionam a formação de cavernas ao longo da zona de falhamento. Isto também pode ocorrer em rochas não solúveis, como um resultado da lavagem de rocha triturada e da abertura de fraturas de tração, oblíquas ao plano de falha, consideradas um sub-produto do movimento ao longo da superfície de falhamento. Em ambos os casos, identificam-se situações que propiciam a formação de zonas instáveis, localizadas na região em que são identificados os falhamentos e/ou fraturamentos.

Modelos de fluxo em maciços rochosos

Segundo Louis ( 1976 ), são cinco grupos de maciços rochosos, classificados segundo sua textura, estrutura e imperfeições.

Meio poroso, predominantemente homogêneo, contendo somente poros pequenos;

Meio fraturado poroso, onde as fissuras determinam o comportamento hidráulico do maciço rochoso;

Meio poroso contendo barreiras impermeáveis onde as descontinuidades são preenchidas por material composto de partículas impermeáveis;

Meio poroso com pequenos canais em que descontinuidades preenchidas por material impermeável contêm canais através dos quais a água pode fluir;

Meio cárstico contendo passagens largas e cavernas de várias formas geométricas, criadas pela dissolução e remoção da rocha pelo fluxo de água subterrânea.

Classificação geomecânica do maciço rochoso

Os principais objetivos do sistema de classificação são:

Identificar os principais parâmetros que influenciaram o comportamento do maciço rochoso;

Dividir uma formação rochosa particular em zonas de comportamento similar;

Compreender as características de cada maciço rochoso;

Relatar condições de um maciço em um local com experiência e encontrada em outros;

Obter dados quantitativos e orientações para o projeto;

Prover uma base comum para a comunicação em diversas áreas.

As classificações gemomecânicas do maciço rochoso variam de acordo com a função da classe definida para o maciço mediante determinados parâmetros, além da estrutura mais adequada de sustentação.

São considerados sistemas simples, baratos e práticos. Fornece o tipo e a quantidade de suporte necessário para estabilizar a escavação subterrânea, lê-se empírico.

O objetivo de uma classificação geomecânica é processar ou codificar informações sobre as propriedades do material rochoso, características de descontinuidades e geometria de escavação para obter valores representativos que propiciem ou evidenciem uma base racional para decisões acerca dos trabalhos referentes às rochas.

Pode obter-se, também, uma estimativa do comportamento do maciço, além de avaliar a quantidade do mesmo levando em consideração características que vão muito além do que uma simples análise da resistência a compressão da rocha intacta e, envolvendo, uma correlação ou comparação das características de um local com características e experiências com outros locais em que se encontram os maciços rochosos.

Devido às pesquisas realizadas, percebi, que as empresas de mineração têm desenvolvido classificações específicas para o maciço em particular. Neste sentido, existem atualmente diversos softwares que auxiliam nesta análise. Mas que só são efetivos quando o usuário conhece as características do maciço através de instrumentação adequada.

Ações dinâmicas sobre as rochas

Sabemos que o relevo corresponde ao conjunto de formação apresentadas pela litosfera. Essas formas são definidas pela estrutura geológica combinada com as ações da dinâmica interna e externa da Terra.

A estrutura geológica diz respeito ao tipo de rocha, lê-se magmática, sedimentar e metamórfica, bem como à idade que elas apresentam, lê-se mais antigas ou mais recentes. As características das rochas condicionam a ação dos fatores modificadores do relevo que são os agentes de erosão.

Os fatores internos são responsáveis pela elevação ou rebaixamento da superfície da crosta terrestre os fatores externos, por sua vez, causam modificações nessa superfície.

Internos: tectonismo, vulcanismo e abalos sísmicos;

Externos: intemperismos, águas correntes, vento, mar, gelo, seres vivos, entre outros.

Fatores internos: as pressões do magma

Os fatores internos do relevo têm sua origem nas pressões que o magma exerce sobre a crosta terrestre. Essas pressões podem provocar vulcanismo e outros fenômenos chamados tectônicos, como a formação de dobras e fraturas e a criação montanhas.

A diferença entre a temperatura do magma, uma substância quentíssima e por isso fluida, a temperatura da crosta, que é mais baixa, pode resultar em dois fenômenos: em algumas regiões o magma extravasa para a superfície, pelos vulcões, sob a forma de lavas; em outras, é a crosta que se transforma novamente em magma. "sugada" para o interior do manto. Essa troca de calor, como vimos, é denominada movimento de convecção.

Tais fenômenos ocorrem com maior intensidade nas zonas de contato das placas tectônicas, que formam a crosta terrestre. Essa placas que compõem a litosfera, são encontradas tanto nos continentes quanto sobre o mar. E a partir de rachaduras abertas

na crosta terrestre pela força sua pressão que o magma se movimenta realiza seu trabalho de construção e destruição, ou seja, pratica a sua ação dinâmica.

Em geral, as chamadas montanhas recentes apresentam intensa atividade sísmica e vulcanismos, justamente porque estão no limite de destruição das placas tectônicas.

Tanto nas zonas de construção como nas zonas de destruição, além da ocorrência de terremotos e vulcanismos é comum o aparecimento de dobras ou fraturas.

As dobras ocorrem em rochas frágeis e mais ou menos plásticas, enquanto as fraturas se formam em rochas mais resistentes ou rijas. Se os blocos fraturados não se deslocarem uns em relação aos outros, dizemos que se formam juntas. Quando, ao contrário, os blocos se afastam uns dos outros, terão ocorrido falhas.

A grande ocorrência de dobras e falhas explica a formação de várias cadeias de montanhas sobre a crosta — antigas e recentes. Dizemos que as dobras e falhas são movimentos orogenéticos, ou seja, criadores de montanhas.

Fatores externos: a erosão da superfície

Os fatores externo são as chuvas, a água corrente, o vento, o gelo, o calor, além da própria gravidade, que desgastam e modificam o relevo terrestre, tendendo a uniformizá-lo. Isso só não ocorre por causa da dinâmica, isto é, a atuação dos fatores internos. Além disso, o desgaste das formas de relevo está associado à maior ou menor resistência da rocha à erosão. As rochas sedimentares, por exemplo, formadas por sedimentos originários de outras rochas, geralmente dispostos em camadas, são menos resistentes à erosão que as rochas magmáticas, originárias da solidificação do magma, e as metamórficas, que são rochas transformadas por variações de pressão e temperatura.

O aplainamento da superfície terrestre principia com os processos intempéricos, que podem ser físicos ou químicos. Entre os agentes físicos destaca-se o calor, ou melhor, as variações de calor, que provocam desagregação da rocha por sucessiva dilatação e contração. Essa forma de intemperismo é típica das regiões áridas e semi-áridas, em que há grandes variações de temperatura entre o dia e a noite. Entre os agentes químicos, o principal é a água, que, dependendo da rocha, pode dissolver alguns de seus minerais. Sua ação pode ser mais sentida nos climas úmidos.

O intemperismo é seguido nela erosão, transporte e sedimentação, ou seja, deposição dos sedimentos nas áreas mais baixas do terreno. Isso é feito pelos agentes externos, que podem ser a água das chuvas, dos mares ou dos rios, o gelo, o vento, além da própria gravidade, por meio de desmoronamentos.

As regiões que há muito tempo não sofrem a influência dos fatores internos apresentam de relevo consideradas antigas, geralmente suaves, pois já foram muito desgastadas pela erosão.

As formas de relevo

Dependendo da atuação de agentes internos e externos, o relevo pode apresentar diversas formas. As principais são: montanhas, planaltos, planícies e depressões.

Comportamento, tensão, deformação

Devido ao dinamismo interno da crosta terrestre, as rochas que integram a litosfera estão sujeitas a tensões que são forrças exercidas por unidade de área, resultantes dos movimentos tectônicos.

Estas tensões podem ser compressivas, distensivas ou de cisalhamento. As tensões compressivas estão associadas a forças convergentes; as tensões distensivas estão associadas a forças divergentes; e, por fim, as tensões de cisalhamento estão associadas a movimentos paralelos das rochas em sentidos contrários.

Quando nas rochas atuam estados de tensões, o comportamento das mesmas podem sofrer deformações que são reversíveis ou elásticas e irreversíveis ou plásticas.

Comportamento Elástico – É reversível, pois o material deforma, mas quando a tensão cessa, recupera a sua forma ou volume inicial e verifica-se quando a força aplicada sobre a rocha não ultrapassou o seu limite de elasticidade.

Tensão

Compressiva

Tensão

Distensiva

Tensão de

Cisalhamento

Comportamento Plástico – É permanente, pois o material fica deformado sem rompimento e verifica-se quando a força aplicada sobre a rocha é superior ao seu limite de elasticidade e inferior ao limite de plasticidade.

Os materiais, quando sujeitos a tensões, apresentam diferentes comportamentos de natureza frágil e de natureza dúctil. Uma mesma rocha sujeita a condições de pressão e temperatura distintas, pode apresentar comportamentos diferenciados.

Estado de Tensão Comportamento Frágil Comportamento DúctilCompressivo Falha inversa DobraDistensivo Falha normal EstiramentoCisalhante Falha de desligamento Cisalhamento

Os limites tectônicos são zonas onde existem grandes pressões e, consequentemente, os materiais sofrem profundas pressões. Com o aumento da temperatura, o limite de elasticidade dos materiais aumenta, tornando-se mais dúcteis. A temperatura é superior, devido ao fato dos materiais serem mais plásticos do que à superfície.

Na superfície, como a pressão e a temperatura são menores, apresenta-se um comportamento elástico, seguido de ruptura. Alguns estudos afirmam que a deformação ocorre em regime frágil.

Elástica Plástica Frágil Deformação

Tensão

É importante ressaltar que os regimes dúcteis e frágeis estão associados, respectivamente, a dobras e falhas.

As falhas são deformações associadas a comportamentos frágeis do material geológico. Correspondem a superfícies de fratura ao longo das quais ocorreram movimentos relativos entre os dois blocos que separam. Surgem quando o limite de plasticidade das rochas é ultrapassado e estão, muitas vezes, associadas a sismos.

Sendo que os tipos de falhas são:

Enquanto, as dobras são deformações associadas a comportamentos dúcteis das rochas, em regimes compressivos. Correspondem a encurvamentos de camadas anteriormente planas. As dobras ocorrem dentro do limite de plasticidade das rochas. Assim como nas falhas é possível descrever as dobras tendo em conta certos elementos caracterizados da sua geometria.

Sendo que as dobras podem ser caracterizadas dos seguintes elementos:

Falha Normal Falha Horizontal ou Transcorrente

Falha inversa ou de empurrão

Resumindo: Comportamento em detalhes

De acordo com o tipo de tensão e resistência de deformação, as rochas apresentam diferentes comportamentos.

Tempo de rochas e maciços rochosos

Os três grandes ambientes geológicos geradores de rochas, também ditos petrogénicos são:

ambiente magmático; ambiente sedimentar; ambiente metamórfico.

As principais diferenças entre eles são definidas em termos de:

pressão temperatura composição química

A estes ambientes correspondem respectivamente, as rochas magmáticas, as rochas sedimentares e as rochas metamórficas.

Ambiente Magmático

O ambiente magmático caracteriza-se geralmente por:

a. Temperaturas elevadas (acima dos 800ºC);

b. Pressões muito variadas, desde muito baixas, no caso do Vulcanismo, a muito altas, no caso do Plutonismo, ocorrido no interior da Litosfera, variando num intervalo que reflete as diferentes profundidades a que pode ocorrer;

c. Variações de composição química, considerada restrita em comparação com ou outros ambientes.

Ambiente Sedimentar

É praticamente o ambiente existente à superfície da Terra, caracteriza-se por:

a. Baixos valores de temperatura e pressão;

b. Grande variabilidade na composição química dos materiais;

c. Proporcionar grandes transformações químicas, tais como a oxidação, carbonatação, hidrólise e a hidratação.

Ambiente Metamórfico

É caracterizada por um grande intervalo de pressões e temperaturas.

O metamorfismo pode ser essencialmente térmico - Metamorfismo de Contato, ou essencialmente dinâmico - Metamorfismo Regional estreitamente ligado com a formação das cadeias montanhosas.

Quanto à temperatura os valores não excedem, em regra, os 800ºC (valor que marca o início da fusão de parte dos minerais, isto é o começo do magmatismo). O ambiente metamórfico tem lugar em meio essencialmente sólido.

Ciclo das Rochas ou Ciclo Petrogénico

As rochas geradas num determinado ambiente geológico são estáveis enquanto permanecem nesse mesmo ambiente. Uma mudança nas condições do ambiente induzem a transformações mais ou menos lentas de modo a que as rochas se adaptem e fiquem estáveis nessas novas condições.

As principais alterações são as da sua textura e a criação de novos minerais de acordo com o novo ambiente, a partir da destruição de outros que mediante as novas condições deixam de ser estáveis. Por exemplo, muitos dos minerais das rochas que se formam em zonas profundas da litosfera alteram-se quando chegam à superfície, dando origem a outros minerais que vão participar na formação das rochas sedimentares. Estas rochas, com o decorrer do tempo geológico podem ser sujeitas a novas condições termodinâmicas, originando rochas metamórficas e mesmo magmáticas quando há fusão do material.

Podemos dizer que as rochas dependem umas das outras e que ao longo do tempo se transformam umas nas outras, dando lugar aos diferentes tipos litológicos ou petrográficos.

A litosfera é a zona da Terra onde se dão os processos internos, a grande profundidade e que consomem energia vinda do interior do Globo, tais como o magmatismo, incluindo o vulcanismo, o metamorfismo e outras ações que resultam em deformações da crosta (dobramentos e falhas) e deslocações da litosfera - são os chamados fenômenos geodinâmicos internos ou endógenos.

Os processos que ocorrem à superfície ou na película mais externa da crosta terrestre e que consomem energia exterior ao nosso planeta, principalmente energia solar, são chamados fenômenos geodinâmicos externos ou exógenos.

A partir do magma por arrefecimento, solidificação e cristalização originam-se as rochas magmáticas ou ígneas que por processos de levantamento podem chegar à superfície onde ficam sujeitas aos processos geodinâmicos externos (meteorização, erosão, transporte e sedimentação) originando-se sedimentos.

Posteriormente, estes sedimentos são sujeitos a processos físico-químicos que conduzem à formação de rochas sedimentares. O conjunto desses processos denomina-se por diagénese. À medida que estas rochas ou os sedimentos vão atingindo zonas mais profundas da litosfera, por subsidência ou por subducção, a temperatura e a pressão aumentam dando-se então inicio a processos metamórficos com geração de rochas metamórficas. Com a continuação do aumento de pressão e temperatura, as rochas podem fundir dando origem a um magma, completando assim o ciclo.

Dentro deste ciclo existem ciclos mais pequenos, como se pode ver na figura abaixo, já que uma rocha magmática ou uma rocha sedimentar podem sofrer processos metamórficos e mesmo voltar a fundir originando um magma.

Resistência e deformabilidade de descontinuidade

Sabemos, mediante conhecimentos prévios, que qualquer estrutura a implantar no terreno ora localizada à superfície ora localizado no espaço subterrâneo deve incluir um minucioso estudo das estruturas geológicas do local da construção.

A descrição da qualidade de um maciço, especialmente de um maciço rochoso, inclui em seu estudo uma intensa análise das características das descontinuidades ocorrentes nos locais em que são encontrados.

São as descontinuidades, com efeito, que condicionam as propriedades geotécnicas de grande número de terrenos conferindo-lhes um comportamento em termos de deformabilidade, resistência ao corte e permeabilidade substancialmente diferente do material que constitui esses maciços.

A imagem abaixo mostra em detalhes a forma de um bloco de rocha, delimitado por duas descontinuidades, provocando o recuo da face do talude.

Qualquer outra escavação no pé do talude pode igualmente determinar instabilidade similares de cunhas, as quais poderão levar à destruição de várias habitações construídas ao longo da crista da escarpa. A estabilidade das fundações destas habitações depende fundamentalmente das propriedades das descontinuidades, isto é, da sua orientação, desenvolvimento e resistência ao deslizamento.

Na imagem acima, a resistência da rocha propriamente dita, de valor elevado para suportar as cargas transmitidas pelas fundações, não é determinante para a estabilidade. Este é um exemplo onde o projeto da fundação deve ter como enfoque a

A interseção de descontinuidades numa rocha muito resistente produziu o colapso de blocos da fundação das casas construídas junto à crista da escarpa.

geologia estrutural do local e não a resistência da rocha. Mas para analisar a estabilidade de blocos em fundações rochosas é de suma importância conhecer informações básicas ou características das descontinuidades como: orientação e dimensões das descontinuidades, as quais definem a forma e grandeza dos blocos e a direção segundo a qual o bloco pode deslizar e as propriedades de resistência ao deslizamento das descontinuidades que determinam a resistência ao escorregamento dos blocos.

Sob a designação de descontinuidade engloba-se qualquer entidade geológica que interrompa a continuidade física de uma dada formação. As características geológicas classificam geralmente as descontinuidades de acordo com o modo da sua formação. Os tipos mais freqüentes de descontinuidades são: falha, superfície de estratificação, foliação, diaclase, clivagem de fratura e xistosidade.

Referências Bibliográficas

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http://e-geo.ineti.pt/edicoes_online/diversos/guiao_litoteca/capitulo4.htm