CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO A MECÂNICA MECÂNICA DAS ROCHAS Introdução: Rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral ou minérios, que se apresentam em grandes massas ou fragmentos. As principais propriedades que distinguem uma rocha de um solo são a coesão interna e a resistência a tração. A coesão interna é a força que liga as partículas umas as outras (ligação entre os átomos). Este valor difere da coesão aparente, que é resultante do atrito entre as partículas quando submetidas às forças de cisalhamento. Exemplo de coesão nula é a areia, mas pode apresentar coesão aparente de 4,34 kg/cm². A resistência a tração pode ser nula num solo. Mas entre o solo e a rocha pode existir e xistir uma tração uniaxial de 1MPa. A rocha, como o solo, é um material bastante distinto de outros materiais da engenharia, por isso os projetos em rochas são bastante especiais. A mecânica das rochas se desenvolveu mais lentamente que a mecânica dos solos, pelo simples fato de a rocha ser considerada mais competente que o solo e gerar menor número de problemas com fundações ou estruturas. A mecânica, de uma forma geral, estuda a resposta de um material a uma solicitação qualquer. A mecânica mecânica das rochas tem como finalidade finalidade estudar estudar as propriedad propriedades es e o comportamen comportamento to dos maciços rochosos submetidos a tensões ou variações das suas condições iniciais. Histórico: Desde a pré-história, as rochas e os maciços rochosos vêm sendo utilizados pelo homem para a fabricação de ferramentas, casas, fortificações e até mesmo túneis. Os templos e as pirâmides do Egito, como por exemplo, a Pirâmide de Queôps, construída com mais de dois milhões de blocos de calcário há 4700 anos. As principais barragens do Egito e do Iraque, que datam de 2900 A.C., são testemunhos das refinadas técnicas de seleção, corte e trabalho empregadas pelos homens na antiguidade. Apesar Apesar das centenas centenas de anos de experiência, experiência, foi somente nestas últimas décadas que a mecânica mecânica 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 implantação no maciço rochoso de fundações, poços, furos de sondagem, cavernas e taludes. Campo de Aplicação: As rochas são utilizadas pelo homem para fabricação de armas, ferramentas e utensílios. Este material é muito usado para construção de casas, túneis, fortificações, esculturas entre outros. As áreas de atuação são classificadas cl assificadas como: i) Atividades de superfície (<100m): fundações, barragens, estradas e minas à céu aberto. ii) Atividades em profundidade (>100m): minas subterrâneas, túneis, cavernas hidrelétricas, aproveitamento de energia geotérmica. iii) Atividades especiais: engenharia do petróleo, engenharia geotécnica, armazenamentos em cavernas(petróleo, água, resíduos radioativos, etc.). Os projetos de engenharia de rochas podem ser agrupados em sete categorias: (a) fundações: as rochas são um excelente material de fundação, mas podem ser fraturados e alterados. É necessário estabelecer a competência da rocha em relação a sua capacidade de suportar a carga para níveis toleráveis de deformação. (b) taludes: a mecânica das rochas pode identificar o risco de ruptura do talude rochoso, seja por tombamento, flexão, em cunha ou em plano; (c) túneis e poços: a estabilidade de túneis e poços depende da estrutura da rocha, estado de tensões, regime de fluxo subterrâneo e técnica de construção; (d) cavernas: o projeto de construção de grandes cavernas é influenciado pela presença e distribuição das fraturas do maciço rochoso; (e) mineração: a mecânica das rochas influi sobre os métodos de mineração, com a finalidade de se obter uma 1
maior extração de minério, utilizando-se um mínimo de suporte artificial das galerias; (f) energia geotérmica: a produção de energia geotérmica é obtida pela percolação de água, injetada no furo, através das fraturas da rocha-reservatório naturalmente aquecida e a posterior recuperação por outro furo de sondagem. Este sistema depende da interação entre as fraturas do maciço, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo; (g) armazenamento de rejeitos rejeitos radioativos: o isolamento dos materiais materiais radioativos em relação à biosfera requer o estudo das fraturas do maciço, capacidade de absorção das superfícies das fraturas, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo.
Figura 1: representação gráfica de projetos de mecânica da rochas
CAPITULO 2 – DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES Em funçã funçãoo das caract caracterí erísti sticas cas dos materi materiais ais,, a análise análise do compo comporta rtamen mento to rochos rochosoo é geralm geralment entee complexa, exigindo o estudo das propriedades físicas e mecânicas das rochas.
Rochas: são todos os materiais geológicos sólidos consolidados, constituídos por minerais, e que se apresentam em grande grande massa massa ou em fragmentos fragmentos.. Apresenta Apresenta descontinuidad descontinuidadee à escala escala ultramicros ultramicroscópica cópica da ordem de 10 -8 mm (em (em níve nívell de átom átomos os e rede redess cris crista tali lina nas) s),, micr micros oscó cópi pica ca da orde ordem m de mm (por (por ex: ex: micr microf ofis issu sura ras, s, microdobras, união entre os grãos, etc.) e macroscópica da ordem de mm-cm (amostra de mão), tais como: estratificação, xistosidade, dobras fraturas, etc. Rocha intacta: é a porção da massa rochosa, livre de descontinuidades, sobre a qual se verificam propriedades de resistência mecânica do material rochoso. 2
maior extração de minério, utilizando-se um mínimo de suporte artificial das galerias; (f) energia geotérmica: a produção de energia geotérmica é obtida pela percolação de água, injetada no furo, através das fraturas da rocha-reservatório naturalmente aquecida e a posterior recuperação por outro furo de sondagem. Este sistema depende da interação entre as fraturas do maciço, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo; (g) armazenamento de rejeitos rejeitos radioativos: o isolamento dos materiais materiais radioativos em relação à biosfera requer o estudo das fraturas do maciço, capacidade de absorção das superfícies das fraturas, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo.
Figura 1: representação gráfica de projetos de mecânica da rochas
CAPITULO 2 – DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES Em funçã funçãoo das caract caracterí erísti sticas cas dos materi materiais ais,, a análise análise do compo comporta rtamen mento to rochos rochosoo é geralm geralment entee complexa, exigindo o estudo das propriedades físicas e mecânicas das rochas.
Rochas: são todos os materiais geológicos sólidos consolidados, constituídos por minerais, e que se apresentam em grande grande massa massa ou em fragmentos fragmentos.. Apresenta Apresenta descontinuidad descontinuidadee à escala escala ultramicros ultramicroscópica cópica da ordem de 10 -8 mm (em (em níve nívell de átom átomos os e rede redess cris crista tali lina nas) s),, micr micros oscó cópi pica ca da orde ordem m de mm (por (por ex: ex: micr microf ofis issu sura ras, s, microdobras, união entre os grãos, etc.) e macroscópica da ordem de mm-cm (amostra de mão), tais como: estratificação, xistosidade, dobras fraturas, etc. Rocha intacta: é a porção da massa rochosa, livre de descontinuidades, sobre a qual se verificam propriedades de resistência mecânica do material rochoso. 2
Rocha frágil: é aquela que apresenta ruptura frágil. Esta é definida a partir do ponto em que a capacidade de resistir às cargas diminui simultaneamente com aumentos de deformação. Rocha dúctil: um material é dito dúctil quando ele pode apresentar deformações permanentes sem perder sua capacidade de resistência. Coesão: refere-se à força que une as partículas das rochas. Rochas coerentes : gnaisses, granitos e basaltos (não decompostos). Rochas incoerentes : terra e areia. Dureza: é a resistência oferecida pela rocha à penetração de uma ferramenta mineira. Elasticidade: é a mudança de forma ou volume de uma rocha, quando submetida a forças externas, retornando, em seguida, às condições iniciais, quando retiradas as forças que causaram a deformação. Plasticidade: é a propriedade que tem a rocha de tomar qualquer forma, quando submetida a forças externas, e conservar esta forma, mesmo depois de removida a causa da deformação. densidade da rocha intacta: é a massa por unidade unidade de volume volume da rocha, rocha, expressa em g/cm 3, 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 V GRANITO: 2,7 T/M3 QUARTZITO: 2,6 T/M3 =
As rochas densas precisam de uma maior quantidade de energia para obter uma fragmentação satisfatória. Resistência das rochas: as resistências estáticas à compressão e à tração como parâmetros indicativos da aptidão da rocha ao desmonte. Porosidade: é a razão entre o volume interno do espaço aberto (poros, interstícios ou vazios) e o volume total da rocha, isto é: Obs.: a porosidade provoca os seguintes efeitos nos desmonte de rochas: • Atenuação da onda de choque; Reduçãoo da resist resistênc ência ia din dinâmi âmica ca à compre compressã ssãoo e, conseq conseqüen üentem tement ente, e, increm increment entoo da tritur trituraçã açãoo e • Reduçã percentagem de finos. Porosidade
=
SENDO: VP= VOLUME DOS POROS; VG= VOLUME DOS GRÃOS.
Vp (Vp
+
Vg )
Módulo de Young: é a relação entre a tensão ( ρ ) e a deformação ( ε ) sofrida pela rocha, isto é: sendo a deformação uma relação entre dimensões ou entre ângulos, entende-se que é uma quantidade adimensional. O módulo de Young, também é conhecido como módulo de elasticidade; como nas rochas nem sempre se observa o comportamento elástico, tem sido uma tendência da designação o módulo de deformação para esta E
σ
=
ε
ε
=
ε
∆L
=
∆θ ϑ
L
propriedade. Coeficiente oeficie nte de Poisson P oisson : é a relação relação entre a deformação lateral (ε t) e a deformação longitudinal ( ε l), sofrida pela rocha, isto é: ν
=
ε T ε
L
CHAMA-SE N ° ° DE POIS POISSO SON N (M) AO INVERSO DO COEFICIENTE DE POISSON:
m
=
1
ν
Tensão: é uma grandeza física física derivada derivada de outra grandeza, grandeza, a força. força. Não podem ser medidas diretamente diretamente,, mas estimadas pelos seus efeitos, a deformação. O termo tensão envolve dois conceitos: tensão em um plano e tensão em um ponto. O primeiro é matematicamente definido definido como o quociente entre força (grandeza vetorial) e área (grandeza escalar). A compon component entee parale paralela la ao plano plano de cisalhamento, enqu enquan anto to a norm normal al ou
σ = F/A
aplica aplicação ção da força força é denomi denominad nadaa de tensão de tensãoo de diste distens nsão ão ou de perp perpen endi dicu cula lar, r, tensã 3
compressão, dependendo do seu sentido. A tensão em um ponto é também denominada estado de tensão ou simplesmente tensão, é uma grandeza (tensorial) que permite a descrição do vetor tensão, em qualquer plano contendo o ponto considerado. A tensão natural que ocorre nas rochas é o resultado de uma complexa interação entre as ações de esforços gravitacionais (peso das camadas sobrejacentes), esforços tectônicos (atuação de placas litosféricas), variação de energia térmica e processos físico-químicos (recristalização de minerais, absorção de água e do lençol freático, etc). A tensão induzida decorre de perturbações das rochas causadas pelo homem, ou seja, é o estado de tensão decorrente da redistribuição de tensões preexistentes devido à perturbação dos maciços com a implantação de obras de engenharia. A tensão residual é por vezes utilizado para qualificar o estado de tensão remanescente no maciço rochoso ao término do mecanismo que lhe deu origem. O estado de tensão regional é empregado para caracterizar o estado de tensão em um domínio geológico relativamente amplo enquanto a tensão local refere-se a um domínio geológico mais restrito às obras de engenharia. A unidade normalmente utilizada para a tensão é o Mpa. Material rochoso: é o material constituinte dos blocos de rocha, delimitados pelas descontinuidades do maciço rochoso. Depreende-se daí, que o material rochoso inclui como propriedades físicas e mecânicas a densidade, porosidade, coesão, dureza, resistência mecânica, módulo de elasticidade e forma de ruptura. Maciço rochoso: a concepção de maciço rochoso confunde-se com a própria definição de rocha: é o material sólido da crosta. Nessa acepção, o maciço rochoso ou massa rochosa inclui, além do tipo litológico, todas as suas descontinuidades, tais como: sistemas de juntas, planos de acamamento, xistosidades e falhas. É um material constituído de rocha intacta e fraturas que o compartimentam. Portanto, a característica geotécnica do maciço é a caracterização e descrição geotécnica das fraturas. D eformação : são os movimentos de massas rochosas que causam mudança de forma, orientação, volume e/ou posição, devido à aplicação de forças tectônicas ou forças atectônicas (principalmente as gravitacionais). Resistência de um material é a capacidade de absorver a tensão sem sofrer deformação (ruptura, por exemplo, como nos ensaios de laboratório). Para se ter uma noção de grandeza da resistência veja a resistência dos seguintes materiais: • Rocha dura ou intacta (20 a 300 mp), • Rocha branda ou alterada (1,0 e 20 mp) Quanto ao maciço, podemos dizer que a sua resistência é uma função da resistência da rocha intacta, da descontinuidade e dos maciços rochosos que se encontram entre um máximo e um mínimo. Homogeneidade ou heterogeneidade: das rochas e dos maciços está relacionadas à constância ou a variação espacial de suas propriedades mecânicas no volume considerado. Isotropia ou anisotropia : relativas à constância ou à variação de suas propriedades mecânicas de acordo com a direção dos grãos minerais ou a história de tensão, no volume considerado. Em síntese, pode-se dizer que os maciços rochosos são essencialmente heterogêneos, anisotrópicos e descontínuos, e sua complexidade resulta da evolução geológica a que foram submetidos. De qualquer maneira é a escala da porção do maciço analisada em um estudo qualquer que se define a condição do meio, conforme ilustra a figura 2. As características que traduzem a qualidade dos meios rochosos associam-se, fundamentalmente, à litologia, ao estado de alteração, à coerência e às descontinuidades. A definição de propriedades de resistência e deformabilidade dos maciços é um problema mesmo com a existência de ensaios in situ e complexa a caracterização do maciço rochoso devido ao seu alto custo e execução.
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Figura 2: Escala do maciço CAPITULO 3 - DESCONTINUIDADES Descontinuidades: Segundo a Associação Internacional de Mecânica de Rochas (ISRM), é o termo geral para qualquer descontinuidade mecânica, em um maciço rochoso, que apresenta baixa ou nenhuma resistência à tração. Este é o termo coletivo para a maioria dos tipos de diáclases, juntas, planos de fraqueza do acamamento, planos de fraqueza da xistosidade, zonas de alteração ou de falhas. A figura ilustra estas definições através da representação físico-simbólica do efeito escala.
Figura 3:Efeito escala no maciço rochoso
Rochas duras: São rochas que apresentam resistência uniaxial à compressão de 100 – 250 mpa. Rochas brandas: São rochas que apresentam resistência uniaxial à compressão de 25 – 50 mpa. Solo ou alteração: Quando a resistência uniaxial à compressão do material é menor do que 1 mpa. Resistência á compressão simples: pode ser definida como sendo a resistência oferecida por uma amostra do material rochoso a um esforço de compressão uniaxial aplicado. 5
Rocha de alta rigidez : elevada resistência absorve alto nível de tensão e pequena deformação. Ruptura normalmente súbita, repentina e violenta ocasiona golpes de terreno. Golpes de terreno : são estouros de rocha em locais submetidos a altas concentrações de tensão. Rocha muito rígida possui pequena capacidade de deformação. Rocha pouco rígida: possui capacidade de absorver alto nível de tensões sem se deformar muito e reduzir a ruptura excessiva e mais lenta. Quando se deforma muito, perde a capacidade de absorver tensão. Descrição das descontinuidades: As descontinuidades desempenham um importante papel no comportamento dos maciços rochosos. Com o intuito de padronizar o levantamento das descontinuidades a ISRM (1978) publicou uma sugestão de método para descrição de descontinuidades de maciços rochosos. São utilizados 10 parâmetros: 1) Orientação: É a atitude da descontinuidade no espaço, podendo ser descrita pela direção do mergulho (azimute) e o mergulho da reta de maior declividade do plano da descontinuidade. A posição ocupada no espaço por uma estrutura geológica planar é definida pela sua direção e pelo ângulo de mergulho, ou seja, a inclinação do plano. A direção é definida pelo ângulo que a intersecção do plano da descontinuidade, com o plano horizontal, faz com a direção norte. O mergulho é o ângulo de inclinação do plano com o plano horizontal. A reta do mergulho é a reta de máxima inclinação no plano, perpendicular à direção.
Figura 4: Orientação de uma descontinuidade A orientação controla as possibilidades de condições de instabilidade e um número de deformações excessivas. 2) Espaçamento: É considerado como a distância perpendicular entre dois planos consecutivos de descontinuidades pertencentes a uma mesma família representando o espaçamento médio de uma família de juntas. O espaçamento entre descontinuidades adjacentes controla o tamanho dos blocos individuais de rocha intacta. Descontinuidades com espaçamentos maiores fazem que o maciço tenha baixa coesão. O espaçamento tem grande influência na permeabilidade do maciço e nas características de percolação.
Descrição espaçamento Extremamente próximos < 20mm Muito próximos 20 - 60mm Extremamente espaçados > 6000mm É obtido por meio de medidas efetuadas ao longo de uma direção determinada, que pode ser uma sondagem ou uma linha de levantamento sistemático de descontinuidades em afloramentos. 3) Persistência: É a extensão do traço de uma descontinuidade como observado em um afloramento. A persistência ou continuidade de uma fratura é um parâmetro ligado ao tamanho e à forma geométrica da estrutura e, por isso, profundamente afetada pela orientação e dimensão da superfície rochosa. 6
descrição muito baixa baixa média alta muito alta
persistência <1m 1- 3m 3 –10m 10- 20m >20m
Uma descontinuidade cujas extremidades não se encontram nos afloramentos é denominada persistente. A persistência de uma fratura é condicionada, também, pela sua ordem de aparecimento em uma seqüência de eventos de fraturamento. As juntas mais recentes sempre apresentam a tendência ou de se originar a partir de outra superfície mais antiga, ou de se interromper nelas. No geral, são necessárias ao menos três famílias sistemáticas de juntas, razoavelmente contínuas, para a formação de blocos rochosos bem definidos. A figura ilustra aspectos da formação de blocos, em função da persistência dos sistemas de descontinuidades.
Figura 5: Persistência em diferentes blocos 4) Rugosidade: É a medida das irregularidades do relevo com relação ao plano médio da descontinuidade. Irregularidades em grande escala são chamadas de ondulações. A rugosidade e ondulação contribuem para a resistência ao cisalhamento. Ondulações 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 são caracterizadas como ondulações, ou em dimensões milimétrica a centimétrica, quando são identificadas como rugosidade ou aspereza. 5) Resistência das paredes: Refere-se à resistência a compressão das paredes adjacentes a uma descontinuidade. Esta resistência deve ser menor que a da rocha intacta devido à alteração das paredes proporcionada pela presença das descontinuidades. O grau de alteração próximo a superfície das fraturas afetam a resistência da mesma e se as paredes estão em contato, teremos uma importante componente da resistência ao cisalhamento. 6) Abertura: É a distância perpendicular entre as paredes adjacentes de uma descontinuidade, cujo espaço intermediário é preenchido por água ou ar.
Abertura < 0,1mm 0,1- 0,25mm 0,5- 2,5mm >1m
descrição muito fechadas fechadas abertas cavernosas
A abertura das descontinuidades é importante no estudo da percolação de água no interior dos maciços rochosos e caracteriza-se como o espaço, vazio ou preenchido por água, que separa suas paredes, distinguindose nesse aspecto eventuais preenchimentos ou mineralizações que podem ocupar o plano da descontinuidade. A abertura atual de uma junta, todavia, não coincide necessariamente com sua abertura original, que pode 7
ter sido modificada em estágios posteriores á sua formação, como ocorre no processo de erosão ou de soerguimento dos maciços quando a fratura é trazida a níveis mais rasos. Os preenchimentos são importantes porque, dependendo de sua espessura, podem modificar ou controlar completamente a resistência ao cisalhamento. Onde as paredes opostas não se tocam e o preenchimento ocupa todo o espaço vazio entre as mesmas, a resistência, a deformabilidade e a permeabilidade do material que preenche o maciço rochoso.
Figura 7: Descontinuidades Abertas
Figura 6: Superfícies de preenchimento 7) Preenchimento: É o material que separa as paredes de uma descontinuidade e que usualmente é mais fraco que a rocha que lhe deu origem. Os materiais típicos de preenchimento são: areia, silte, argila, brecha e milonito. Também inclui minerais secundários e descontinuidade seladas, por exemplo: quartzo e veios de calcita. 8) Percolação: Fluxo de água e umidade livre,visíveis em descontinuidades individuais ou no maciço rochoso como um todo. A percolação de água no maciço rochoso resulta principalmente do fluxo através de descontinuidades. 9) Número de Famílias: É a quantidade de famílias que compõem um sistema de juntas. O maciço rochoso pode conter também descontinuidades individuais. 8
10) Tamanho de Blocos: São as dimensões dos blocos de rocha que resultam da orientação das famílias de juntas que se interceptam e do espaçamento das famílias individuais. Descontinuidades individuais podem influenciar o tamanho e a forma dos blocos.
CAPÍTULO 4 – CLASSIFICAÇÃO DOS MACIÇOS ROCHOSOS
Introdução: Durante as fases de estudo de viabilidade e projeto preliminar de uma obra, quando são disponíveis poucas informações detalhadas sobre o maciço rochoso, seu estado de tensões e características hidrológicas, o uso das classificações geomecânicas pode ser considerado benéfico. As classificações podem ser vistas como um checklist para assegurar que todas as informações relevantes vão ser consideradas. Por outro lado, as classificações podem ser usadas para elaborar uma visão da composição e características do maciço e prover estimativas iniciais do suporte de escavações, além de prover estimativas de propriedades de resistência e deformabilidade para o maciço rochoso. De forma geral, uma classificação geomecânica consiste em dar notas às diversas características do maciço. Os principais objetivos dos sistemas de classificação são: 1) Identificar os principais parâmetros que influenciam o comportamento do maciço rochosos; 2) Dividir uma formação rochosa particular em zonas de comportamento similar; 3) Prover uma base para compreensão das características de cada maciço rochoso; 4) Relatar experiência das condições de um maciço em um local com experiência encontrada em outros; 5) Obter dados quantitativos e orientações para o projeto; 6) Prover uma base comum para comunicação entre diversas áreas. Os maciços rochosos podem ser descritos pelos seguintes adjetivos, para dar uma visão do tamanho do bloco e forma. Compacto: poucas juntas ou com espaçamentos muito grandes. Em blocos: aproximadamente equidimensionais. Tabular: uma das dimensões consideravelmente maior que as outras duas. Irregular: variação grande de tamanho e forma dos blocos. Fragmentado: densamente diaclasado até a forma de pequenos cubos.
Figura 8: Maciços rochosos e diáclases
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CAPITULO 5 - ROCHA INTACTA
Classificação: Nesta classificação, a rocha é isenta de descontinuidades a escala megascópica e regional. Se a classificação for basicamente geológica dará uma idéia do material com que esta lidando. A rocha ígnea possuirá anisotropia pouco marcante, apenas existente em pequenas direções e resultante da orientação dos cristais. A rocha metamórfica, como por exemplo, folhelhos, filitos ou xistos, a anisotropia será muito desenvolvida. Em se tratando de rochas sedimentares, como calcários, gesso e sal gema, deve-se associar logo a existência de cavidades no interior do maciço, devido à dissolução da rocha, pelas águas de infiltração e ou que percolam pelo seu interior. A classificação geotécnica diz respeito resistência compressão simples e uma idéia da possível resposta mecânica da rocha, as solicitações, impostas pelas obras que se desenvolve no maciço. Nunca deve ser esquecido, que o material ensaiado em um pequeno corpo de prova, regra geral, não é representativo do maciço. As zonas de fraqueza do maciço, tais como, zonas de alteração, fraturas e outras descontinuidades estruturais, raras vezes estão representadas nessas pequenas amostras, devido pequena escala dos corpos de prova. Isto significa que os valores adquiridos nesses ensaios laboratoriais, são bem maiores que os do maciço onde a rocha foi colhida. Há então, que ser cuidadoso, quando se pretende aplicar os dados laboratoriais de resistência compressão, porque a sua aplicação poderá levar a um fator de segurança relativamente alto, quando na realidade, o maciço apresentará um fator de segurança que poderá estar próximo da rotura, devido às fraquezas existentes e que tem um papel desfavorável. Uma das classificações geológicas apresentadas, após exaustivo estudo das suas propriedades mecânicas, foi a de Handin (1966), que agrupou as rochas mais comuns em sete tipos litológicos. Tabela 1.
Tabela 1: Classificação por Hadin, 1966
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O sistema de classificação que tem maior importância é aquele que baseado em valores numéricos. Coates e Parsons (1966) classificaram a rocha intacta baseados na resistência compressão e parâmetros de deformabilidade. Dividiram a rocha em três categorias: branda (<35 mpa), resistente (35 a 173 mpa) e muito resistente (>173 mpa). Quanto deformabilidade e antes da rotura classificaram as rochas como: • Elásticas: se não apresentarem fluência a 50% da sua resistência a compressão simples; • Viscosas: se as rochas apresentarem fluência a 50% da resistência a compressão simples. Quanto a rotura, os autores classificaram a rocha em: • Frágil: se a rotura é repentina, • Plásticas: se a rotura é por fluxo (25% da deformação total é permanente antes da rotura). Esta classificação é útil quando se classificam as rochas para perfuração, britagem, explosões subterrâneas ou fragmentação em pequena escala e em rochas maciças sem fraturas. Vários autores apresentaram outras classificações baseadas na resistência compressão simples. Entre esses autores, pode-se destacar a classificação de Deere e Miller (1966) que foi aceito mais ou menos bem universalmente e faz parte da Tabela 2. A classificação apresentada é determinada em amostras com uma razão altura/diâmetro maior que 2. Na classe a, se incluem os quartzitos, doleritos, gabros, diabásico, basaltos densos e rochas ígneas de grão fino. Na classe b, se incluem as rochas ígneas de grão grosseiro (granitos e granodioritos), rochas metamórficas muito resistentes, alguns arenitos muito resistentes, calcários e dolomitos. Na classe c, se incluem a maior parte dos folhelhos, arenitos de resistência média, calcários e rochas metamórficas com xistosidade bem evidenciada como xistos cloríticos, micáceos ou talcosos. na classe_d, se incluem os carvões e siltitos. na classe e, se incluem os argilitos, folhelhos argilosos, rochas salinas ( sal gema, gesso e potássio), giz e rochas alteradas.
Tabela 2: Classificação Deere e Miller, 1966
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CAPITULO 6 - INTEMPERISMO Grau de intemperismo das rochas: É a alteração da superfície rochosa como resultado da reação de gases atmosféricos e soluções aquosas. O processo de intemperismo leva a alterações físicas, químicas e biológica, e a uma redução da resistência da rocha. A amplitude do intemperismo depende dos seguintes aspectos: a) natureza da rocha matriz (mineralogia); b) condições térmicas, físicas e químicas; c) tempo de ação do processo. O intemperismo será exemplificado em dois tipos: i) intemperismo físico: Envolve alterações mecânicas e ruptura da rocha e pode se manifestar através das seguintes ações: • Alivio de tensões no maciço rochoso - a redução das tensões pode gerar: o fraturamento do maciço; • Insolação - rocha exposta a altas temperaturas durante o dia sofre expansão térmica podendo gerar aumento significativo de tensões que eventualmente produzem o fraturamento; • Ciclos de umedecimento / secagem - influência dos minerais expansivos (argilas) da rocha; • Ação erosiva do vento e da água - no rio de janeiro, por exemplo, os maciços rochosos expostos a desplacamentos resultantes da percolação de água através das juntas; • Ação de escavações mecânicas. ii) intemperismo quimico: Envolve vários processos químicos, do tipo dissolução, lixiviação, oxidação, redução, hidratação e troca de íons, que atuam sobre os minerais constituintes das rochas. Estes processos dependem de: • Facilidade de acesso da água e ar no material rochoso; • Reatividade do maciço rochoso em relação à água; • Tempo; • Grau de agressividade da água.
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Figura 9:Processo de intemperismo 13
Alterabilidade: Os minerais constituintes de rochas ígneas e metamórficas, formados em altas temperaturas ou altas pressões, tornam-se instáveis quando expostos à superfície. Estes minerais têm maior tendência à alteração. Aqueles relativamente estáveis, como o quartzo, ouro, platina e diamante, são transportados e sedimentam-se, podendo originar depósitos com valor econômico. Exemplos de alterabilidade dos vários tipos de rochas: i) rochas ígneas e metamórficas: Os minerais apresentam diferentes graus de resistência ao intemperismo. Apresenta-se, a seguir, a ordem crescente dos minerais presentes ao intemperismo: Feldspato ca (olivinas) → feldspato na (piroxênios) → anfibólios → mica biotita → mica muscovita → quartzo Por exemplo, os granitos, têm alto teor de quartzo, são menos suscetíveis ao intemperismo que os basaltos. Os doleritos apresentam altos teores de olivina, piroxênio e anfibólios, menos resistentes à alteração. ii) rochas sedimentares: Os arenitos e os argilitos sofrem o intemperismo principalmente nos materiais cimentantes e de simples preenchimento de poros, podendo, em função do grau de alteração, reproduzir novamente o material original sedimentar, isto é, areia ou argila. Observa-se, portanto, que a alteração dos maciços rochosos é conseqüência da ação conjunta de processos de intemperismos físico e químico. No Brasil, os solos residuais maduros e jovens constituem uma ocorrência muito comum. Os solos residuais do Rio de Janeiro, por exemplo, provém do intemperismo de granitos - gnaísse. Em geral, o processo de intemperização destas rochas graníticas se inicia através da entrada de água pelas fraturas do maciço rochoso. Os feldspatos e outros minerais menos resistentes são atacados formando sais solúveis de Na, K, Fe, Mg e Sílica livre, os quais são lixiviados da região de intemperizaçao restando, portanto, as argilas e o quartzo. A rocha intemperizada se transforma em saprólito cujo aspecto se assemelha ao da rocha mãe, porém apresenta uma resistência de solo denso. Na engenharia, o grau de intemperismo do maciço pode ser identificado e caracterizado através da análise da alteração mineral, medida de porosidade e resistência das diversas zonas (camadas) do perfil. A figura apresenta esquematicamente um perfil de alteração de rocha, onde são observadas as diversas zonas intemperizadas e sãs do maciço.
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Figura 10:Diagrama de alteração do maciço rochoso
Tabela 3: Perfis de alteração propostos por diversos autores
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Tabela 4: perfil de intemperismo de rochas ígneas e metamórficas
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Propriedades - índice das rochas: A determinação das propriedades físicas é importante para a caracterização da rocha e representa uma grande compreensão do comportamento geotécnico do material. Algumas propriedades físicas podem ser usadas para descrever a rocha quantitativamente. Estas refletem na estrutura, composição, fábrica e comportamento mecânico, e estão descritas abaixo: • Densidade • Porosidade • Teor de umidade • Velocidade de propagação do som • Permeabilidade • Durabilidade • Resistência Nas aplicações que envolvem escavações superficiais ou subterrâneas, são necessárias informações adicionais sobre o sistema de descontinuidade tanto ou mais que que a natureza da rocha propriamente propriamente dita. A rocha, de modo similar ao solo, é composta por três fases: • Minerais sólidos; • Água e/ou ar; • Poros.
Tabela 5: Descrição quantitativa de descontinuidades
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Tabela 6: Classificação geotécnica de alteração de rochas. 18
CAPITULO 7 - ESTABILIDADE DE TALUDES Introdução: Em obras como estradas, fundações e barragens em rocha, há necessidade de se estimar o grau de estabilidade dos taludes de rocha naturais e construídos pelo home. Um talude é uma superfície 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 é indeterminado, já que taludes feitos sobre ou de rochas ou solos não fornecem fornecem garantia garantia de estabilidad estabilidadee por muitos muitos anos. anos. Condições Condições climáticas, climáticas, hidrológica hidrológicass e tectônicas tectônicas,, atividades humanas na área imediata ou adjacente a estrutura, escavações subterrâneas ou obras de terra podem trazer, anos mais tarde, mudanças que afetam a estabilidade dos taludes naturais e escavados pelo homem. Não se pode desprezar a possibilidade de a rocha ou o solo tornar-se saturado por água ao longo do tempo. As condições de estabilidade, exigidas para os taludes da mineração, diferem daquelas de outros aludes de obras civis, basicamente, pela dinâmica da escavação, pelo porte dos mesmos, atingindo alturas de centenas de metros e extensão de quilômetros e, ainda, pelas condições peculiares da mineração, tais como fatores de segurança menores, aceitação de rupturas localizadas, convivência com vibrações causadas por desmonte por explosivos, rebaixamento do nível d’água buscando taludes mais íngremes, possibilidade de experimentação de ângulos de talude à medida do avanço da lavra, etc. Por outro lado, há também aspectos típicos de mineração que dificultam os estudos como, por exemplo, o fato de sempre se dispor de informações do corpo do minério. Enquanto que das encaixantes, representando o estéril que será cortado pelos taludes finais, praticamente não há dados. Além disso, ás vezes, a experimentação só é possível é possível em materiais que não representam aqueles a serem expostos no talude final. Os condicionantes geológicos, na estabilidade de taludes de mineração, são fartamente mencionados, representados por água. Fraturas, falhas, zonas de cisalhamento, ondulações, foliação/acamamento, veios e intrusões, litologia e perfil de intemperismo. As fraturas, falhas e zonas de cisalhamento se evidenciam, condicionando as superfícies de ruptura, interferindo na distribuição e percolação da água subterrânea e afet afetan ando do a prop propag agaç ação ão das das onda ondass nos nos desm desmon onte tess com com expl explos osivo ivos. s. Há esco escorr rreg egam amen ento toss que que ocor ocorre rem m condicionados por um plano de fratura ou até três planos. As ondulações se constituem em fator favorável à estabilidade dos taludes da mineração aumentando a resistência ao cisalhamento das rochas. Entretanto, há casos em que as ondulações, ou dobras, são muito pronunciadas, resultando em ruptura da rocha por tração, junto às cristas das dobras. Estas rupturas são planas de fraqueza, que reduzem a estabilidade dos taludes. O efeito da água como agente estabilizador dos taludes é significativo, seja reduzindo a tensão efetiva, na forma de pressão neutra, seja pela percolação, ou ainda saturando os terrenos e aumentando o seu peso.
Figura 11: Desenho esquemático de escorregamento 19
CAPITULO 8: MOVIMENTOS DE MASSA
Introdução: As condições geológicas, geomorfológicas e climáticas de uma região podem ser fatores predisponentes à ocorrência de movimentos de massa. A esses fatores, juntam-se outros chamados efetivos, que irão preparar e efetivar as ocorrências. A cidade de ouro preto enquadra-se bem neste contexto pelas suas características gerais. As formações rochosas existentes, metassedimentos com planos de descontinuidades bem marcantes (xistosidade, foliações, acamamentos) e pouco resistentes, condicionaram o desenvolvimento de um relevo acidentado, com vertentes íngremes, vales profundos e praticamente ausência de áreas mais planas. As condições climáticas, com períodos de chuvas intensas e prolongadas completam o quadro de predisposição ao desenvolvimento de processos desestabilizadores e erosivos, que irão se efetivar pelo desmatamento, a má ocupação do solo e os episódios chuvosos que ciclicamente atingem a cidade. Os movimentos de massa em áreas urbanas no Brasil ocorreram em várias cidades, com vítimas fatais e danos materiais da ordem de milhões de dólares, podendo-se citar, como os mais importantes acidentes ocorridos no Brasil, os seguintes: • Santos/SP em 1928, com 60 mortes e destruição da santa casa de santos; • Rio de Janeiro/RJ em 1956, com 43 mortes e destruição de 100 casas; • Caraguatatuba/SP em1966, com 100 mortes; • Serra das Araras/SP, em 1967, com 1200 mortes e destruição de dezenas de casas;, • Salvador/BA em 1971, com 104 mortes e destruição de 60 moradias; • Petrópolis/RJ em 1988, com 171 mortes e interdição de 1100 moradias; Agentes e causa: Entende-se por causa o modo de atuação de determinado agente ou, em outros termos, um agente pode se expressar por meio de uma ou mais causas. É o caso, por exemplo, do agente água, 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 características intrínsecas, função apenas de condições naturais, nelas não atuando, sob qualquer forma, a ação do homem. Pode distinguir: complexo geológico (acidentes tectônicos, atitude das camadas), complexo morfológico (massa e forma do relevo), complexo climático-hidrológico (clima e regime e água subterrânea), gravidade, calor solar ou tipo de vegetação original. - Efetivos: conjunto de elementos responsável pelo deslocamento do movimento de massa incluindo-se a ação humana. Estes deslocamentos subdividem-se em: Preparatórios – pluviosidade, erosão pela água ou vento, congelamento e degelo, variação de temperatura, dissolução química, desflorestamento. Imediatos – chuva intensa, fusão de gelo e neve, erosão, terremotos, ondas, vento, ação do homem, etc. Tipos de causa: - causas internas: são as que levam ao colapso sem que se verifique qualquer mudança nas condições geométricas dos taludes e que resultam de uma diminuição interna ao material. - causas externas: provocam um aumento das tensões de cisalhamento sem que haja diminuição da resistência do material. - causas intermediárias: resultam de efeitos causados por agentes externos no interior do talude. 1) Causas internas Efeito de oscilações térmicas: oscilações térmicas diárias ou sazonais provocam variações volumétricas em massas rochosas, podendo conduzir a destaque de blocos. Num bloco de material colocado sobre um plano horizontal, contrações e dilatações de origem térmica ocorrem simetricamente em relação ao seu eixo e distribuem também as tensões de cisalhamento na superfície de contato com o plano. Diminuição dos parâmetros de resistência por intemperismo: o processo de alteração por intemperismo leva a um enfraquecimento gradual do meio rochoso, ou terroso, no qual ocorre, pela remoção dos elementos solúveis constituintes dos próprios minerais, pela dissolução dos elementos com função da cimentação em solos ou rochas sedimentares, pelos desenvolvimentos de uma rede de microfraturas num meio rochoso que não as possuía. 20
2) Causas externas Mudanças na geometria do sistema: uma das causas das condições de instabilidade consiste em modificar as condições geométricas da massa terrosa, ou rochosa, que esteja sendo analisada, acrescentando-lhe uma sobrecarga em sua porção superior, ou então, retirando parte de sua massa na porção inferior. Efeitos de vibrações: agentes, como terremotos, o bater das ondas, explosões, tráfego pesado, cravação de estacas e operação de máquinas pesadas, transmitem, invariavelmente, vibrações ao substrato. Máquinas pesadas induzem nos solos que lhes servem de fundação, vibrações de alta freqüência. Como a aceleração, fator principal da força nociva resultante das vibrações, é proporcional ao quadro da freqüência. Mudanças naturais na inclinação das encostas: as formas mais evidentes resultam de movimentos tectônicos que mobilizaram corpos de estruturas dobradas, conduzindo-os muitas vezes a fenômenos de desequilíbrio. As formas mais conhecidas são as cadeias montanhosas, como os Andes, Himalaia entre outros sendo um escorregamento translacional, também chamado gravitacional. 3)Causas intermediárias: Elevação do nível piezométrico em massas “homogêneas”: considerando uma massa saturada de rocha intensamente fraturada, solo ou sedimento a água que ocupa os vazios se acha sob pressão a mecânica dos solos conduz a seguinte conclusão: - O potencial de escorregamento se situa numa camada de areia ou silte, a resistência ao cisalhamento por unidade de área, será igual a: S = (p- a.h).tg P - pressão num ponto p da superfície potencial de escorregamento; H - altura piezométrica no ponto; γ a - peso específico da água; φ - ângulo de atrito na superfície de escorregamento Se o material possuir coesão por unidade de área teremos: S= c + (p- a.h)tg Rebaixamento do lençol freático: a expressão se refere a abaixamentos de água numa razão de pelo menos 1m por dia, caso comum em reservatórios ou nas margens fluviais após uma enchente. Se o nível de uma massa de rebaixamento lento o lençol permanecerá horizontal e a resistência média será dado como: S= c + (pi - a.hi)tg Sendo (pi - γ ª.hi) a pressão efetiva em cada elemento de espessura unitária da superfície de ruptura. Se rebaixamento forma rápido, a descida da superfície piezométrica não acompanhará o nível de água livre.
Classificação 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: É um movimento definido por uma ação de queda livre a partir de uma elevação, com ausência de superfície de movimentação. Ocorre em taludes com forte inclinação ou escarpas onde blocos de tamanhos variados se desprendem do maciço por intemperismo e caem pela ação da gravidade. Movimentos das mais variadas proporções incluem-se nesta categoria, desde a queda de um bloco isolado até o colapso de enormes complexos rochosos. A velocidade do movimento é alta. 2) Queda de detritos: É a movimentação de reduzidas massas de fragmentos terrosos ou rochosos, inconsolidados, ou pouco consolidados, em movimentos de pequena magnitude. Dentro dessa classe pode-se enquadrar o fenômeno da desagregabilidade de massas rochosas. Trata-se de um processo de proporções limitadas, que não atinge o noticiário dos jornais por não ter efeito catastrófico, mas que produz contínuos efeitos nocivos a obras de drenagem de rodovias e ferrovias, bem como à sua própria manutenção. Consiste no destaque contínuo de fragmentos rochosos provocados por fenômenos de secagem e saturação sucessivas em rochas de baixa resistência expostas ao longo de cortes artificiais.
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Foto 1: Queda de Blocos e Detritos
3) Tombamentos: O tombamento é um tipo de ruptura em taludes em maciços rochosos com camadas ou descontinuidades de foliação regularmente espaçadas. Ocorre quando as camadas estão inclinadas para dentro do talude. O tombamento é comum em quartzitos, ardósias e xistos, em taludes de minas e em taludes naturais, mas ocorre também em finas camadas de sedimentos mergulhando fortemente, em descontinuidades colunares de origem vulcânica e em granitos com descontinuidades regulares.
Foto 2: Tombamentos ao longo de uma ferrovia
4) Escorregamentos: Escorregamentos são movimentos rápidos, de duração 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 função de sua geometria e da natureza do material que se torna instável, podendo ser subdivididos em translacionais e rotacionais.
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- Escorregamentos rotacionais: procede-se à separação de uma certa massa de material do terreno, delimitada de um lado pelo talude e de outro lado por uma superfície contínua de ruptura, efetuando-se então a análise de estabilidade dessa cunha. Assume-se uma forma simplificada de superfície em arco de circunferência (ou cilíndrica). Escorregamentos rotacionais puros ocorrem em materiais homogêneos, tipo em barragens de terra, aterros em geral, em pequenas escavações de materiais naturais. São movimentos catastróficos, causados pelo deslizamento súbito do solo residual que recobre a rocha, ao longo de uma superfície qualquer de ruptura. - Escorregamentos translacionais: os escorregamentos translacionais podem ocorrer em taludes mais abatidos e são geralmente extensos, podendo atingir centenas ou milhares de metros. A ruptura é por cisalhamento e a massa se desloca sobre uma superfície relativamente plana, muitas vezes condicionada por superfícies de fraqueza, desfavoráveis à estabilidade, originadas de descontinuidades, tipo fraturas, falhas, acamamento, foliações, xistosidades. - Escorregamentos translacionais de rochas: trata-se de movimentos de massas rochosas ao longo de descontinuidades, ou planos de fraqueza, preexistentes. As superfícies de movimentação são geralmente um reflexo da estrutura geológica do terreno e podem consistir em planos de estratificação, xistosidade, gnaissificação, acamamento, diaclasamento, falhas, juntas de alívio de tensões, fendas preenchidas por materiais de alteração, contatos entre camadas, casos de ruptura planar. Tais escorregamentos, geralmente denominados deslizamentos, são típicos de regiões montanhosas e apresentam devido à elevada aceleração que o movimento pode adquirir efeitos catastróficos. - Escorregamentos translacionais de solos: trata-se de movimentos ao longo de superfície plana, em geral preexistente e condicionada a alguma feição estrutural do substrato. O movimento é de curta duração, velocidade elevada, grande poder de destruição. Pelo aumento do teor de água, escorregamentos translacionais de solo podem adquirir o aspecto de corridas. Podem, por outro lado, passar a atuar como rastejos, após sua movimentação e acumulação no pé da encosta.
5) Escoamentos: Os escoamentos, numa definição ampla, são representados por deformações, ou movimentos contínuos, estando ou não presente uma superfície definida ao longo da qual a movimentação ocorre. O conceito de escoamento não está associado ao fator velocidade, englobando movimentos lentos (rastejos) e movimentos rápidos (corridas). - Rastejos: são movimentos lentos e contínuos de material de encostas com limites indefinidos. A movimentação é provocada pela ação da gravidade, intervindo, nos efeitos devido às variações de temperatura e umidade. Em superfície, o rastejo se evidencia, muitas vezes, por mudança na verticalidade de árvores, postes, etc. - Corridas: são formas rápidas de escoamento, de caráter essencialmente hidrodinâmico, ocasionadas pela perda de atrito interno, em virtude da destruição da estrutura, em presença de excesso de água. - Corrida de terra: ocorrem geralmente sob determinadas condições topográficas, adaptando-se às condições de relevo. São geralmente provocadas por encharcamento do solo por pesadas chuvas ou longos períodos de chuva de menor intensidade. A velocidade de deslocamento pode ser elevada, resultando daí o risco de destruição.
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Foto 3: Escorregamento em encosta 6) Avalanche de detritos: Representa uma das formas mais catastróficas de movimentos de massas. Envolve geralmente massas constituídas por mistura de solo e rocha provenientes da acumulação de corpos em condições de estabilidade precária Ou, então, provenientes da mobilização das camadas superficiais de um típico perfil de alteração do manto. São movimentos bruscos que se iniciam na forma de escorregamento, mas que se tornam acelerados devido à elevada inclinação da encosta na qual ocorrem.
7) Movimentos complexos de massas: Resultam de uma combinação das formas vistas anteriormente e se caracterizam por movimentos múltiplos ou complexos e pela ação de vários agentes simultâneos ou sucessivos. Esta classe abrange todos os fenômenos de movimentação nos quais, durante sua manifestação, ocorra uma mudança de características morfológicas, mecânicas ou causais. É o caso das intensas formas de erosão conhecidas sob o nome de boçorocas ou voçorocas. Classificação de Varnes: Dentre os diversos sistemas que buscam correlacionar os diferentes tipos de movimentos massa, a classificação de Varnes (1978) é a mais utilizada internacionalmente. Esta classificação está representada na tabela 6. Tipo de movimento Quedas Tombamento Escorregamento Rotacional
Translacional Expansões laterais Corridas/escoamentos
Poucas unidades
Tipo de material Rocha 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
Muitas unidades De rocha (rastejo profundo)
De detritos
De terra
(rastejo de solo) Tabela 7: Classificação do s Movimentos deMmassas por Varnes (1978)
Fatores que controlam os movimentos de massa: Segundo Fernandes e Amaral (1996), várias feições geológicas e geomorfológicas podem atuar como fatores condicionantes de escorregamentos, determinando a localização espacial e temporal dos movimentos de massa nas condições de campo. De acordo com esses autores, destacam-se as seguintes feições: • Fraturas (tectônicas e atectônicas) – representam importantes descontinuidades, tanto em termos mecânicos quanto hidráulicos. • Falhas – tem um papel destacado no condicionamento dos movimentos de massa. Como as juntas afetam a dinâmica hidrológica, favorecem o intemperismo. • Foliação e bandeamento composicional – a orientação da foliação influencia diretamente a estabilidade das encostas em áreas onde afloram rochas metamórficas. A foliação e/ou bandeamento mergulham para fora da encosta em cortes de estrada. • Descontinuidades em solos – várias descontinuidades podem estar presentes dentro do saprólito e do solo residual. Estas incluem, principalmente, feições estruturais reliquiares do substrato rochoso (fraturas, falhas, foliações, bandeamentos etc). • Morfologia da encosta - a morfologia de uma encosta, em perfil e em planta, pode condicionar tanto de forma direta ou indireta, a geração de movimento de massa. A atuação direta é dada pela tendência de 24
•
correlação entre a declividade e a freqüência dos movimentos, embora mapeamentos de campo revelem que o maior número de escorregamentos ocorre nas encostas mais íngremes. Depósitos de encostas – tais depósitos estão diretamente relacionados às zonas de convergência na morfologia descrita anteriormente.
Mecanismos de Ruptura em Taludes:
A estabilidade de um talude em rocha é condicionada pela presença de planos de fraqueza ou descontinuidades no maciço rochoso. A resistência e a deformação são características do maciço rochoso extremamente dependente da persistência, do espaçamento, da orientação e das propriedades geomecânicas destes planos. O primeiro passo a ser dado em uma análise de estabilidade é determinar a relação entre as diversas famílias de descontinuidades e o potencial cinético de instabilidade dessas estruturas, por meio do uso de projeção estereográfica. O segundo passo é determinar a resistência ao cisalhamento nos planos de descontinuidade ou quais os blocos de rocha que podem movimentar-se, através de ensaios in situ ou de laboratório. Finalmente, o terceiro é determinar as condições de fluxo de água das descontinuidades ou em maciços intensamente fraturados, por meio de poços ou avaliação de campo, de maneira a caracterizar as pressões de água que atuam em blocos potencialmente instáveis. Análise cinemática aplicada: a análise cinemática consiste na identificação dos mecanismos de ruptura, feita a
partir do estudo da atitude das descontinuidades e do talude, com o emprego de técnicas de projeção estereográfica. A ruptura de um talude em rocha pode ocorrer de muitas formas, e na maioria dos casos, é dominada pela presença de descontinuidades preexistentes. A ruptura circular ocorre em maciços rochosos extremamente fraturados, em solos ou em maciços muito alterados, segundo uma superfície em forma de concha. A ruptura planar ocorre quando a descontinuidade tem a direção aproximadamente paralela à face do talude e mergulho menor que a face do talude permitindo o material acima da descontinuidade deslizar. A ruptura em cunha é gerada a partir de duas descontinuidades distintas, cuja interseção propicia o rompimento de parte do talude. As condições e orientações das diferentes famílias de descontinuidades determinam o evento. A ruptura por tombamento é um tipo de ruptura em taludes envolvendo rotação de colunas, agindo umas sobre as outras. Em maciços rochosos essas colunas são formadas por planos de acamamento regulares, clivagem ou descontinuidades, paralelas à crista do talude e mergulhando para dentro do maciço rochoso, contrastando com a ruptura por deslizamento, na qual as descontinuidades mergulham no mesmo sentido que o talude.
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Figura 12: Mecanismos de Ruptura Classes de tombamento: - Tombamento por flexão: ocorre onde colunas contínuas de rocha, separadas por descontinuidades bem desenvolvidas e mergulhando verticalmente, dobram para frente e se quebram em flexão. Deslizamento, solapamento ou erosão do pé do talude provocam o início da ruptura que progride para trás, com fendas de tração largas e profundas. A porção inferior do talude é coberta com blocos desorientados e desordenados. O tombamento por flexão ocorre mais notadamente em ardósias, filitos e xistos.
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Figura 13: Tombamento por flexão - Tombamento de blocos: ocorre onde colunas individuais de rochas são divididas por descontinuidades espaçadas. O pé do talude, com colunas curtas, recebe cargas do tombamento das colunas compridas acima. A base do maciço será constituída de degraus, geralmente subindo de uma camada para a outra. Camadas espessas de rochas sedimentares como arenito e calcário, assim como descontinuidades de origem vulcânica em forma de colunas exibem rupturas de tombamento de blocos.
Figura 14: Tombamento por blocos - Tombamento por flexão: é caracterizado por flexão contínua de longas colunas em função de movimentos acumulados ao longo de numerosas descontinuidades cruzadas. O movimento de deslizamento ocorre ao longo de várias superfícies de descontinuidades no pé do talude, enquanto deslizamento e tombamento ocorrem de forma associada no resto do maciço. Camadas de arenito e xisto, e camadas finas de calcário, exibem tombamento de bloco por flexão.
Figura 15: Tombamento por flexão - Tombamento secundário: pode ser provocado por outro fenômeno independente, em casos onde o tombamento dificilmente ocorreria. A figura abaixo apresenta vários exemplos de tombamento secundário, como na figura (a) que apresenta um deslizamento na parte superior do talude, provocando o tombamento secundário no pé 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 à presença de fendas de tração em material coesivo.
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(a) (b)
(©)
(D)
Figura 16: Exemplos de tombamentos
CAPITULO 9 – RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE DESCONTINUIDADES Introdução: Por resistência ao cisalhamento entende-se a resistência que os corpos rochosos têm para se romperem segundo a direção das tensões cisalhantes, ou seja, na direção tangencial. O fator mais importante para a determinação desta resistência é a geometria da rocha. Em seguida, pode-se citar a resistência ao cisalhamento das superfícies com potencial de ruptura. A determinação do valor da resistência ao cisalhamento é um ponto crítico no projeto de estabilidade da mina. Uma pequena variação no valor determinado pode provocar mudanças consideráveis nesta estabilidade (altura e inclinação do talude). Vários fatores podem provocar mudanças no valor da resistência, como a rugosidade das superfícies, intemperismo e presença de água. Resistência 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(e) descontinuidade é absolutamente plana, sem rugosidades ou ondulações. As partes separadas estão sujeitas a uma tensão normal ( σ ), e a tensão cisalhante necessária para causar o deslocamento pode ser medida. Cada teste de resistência ao cisalhamento permite a criação de uma curva típica. Em deslocamentos muito pequenos, a amostra comporta-se de forma elástica, e as resistências ao cisalhamento aumentam linearmente com o deslocamento. Quando estas resistências ao cisalhamento são superadas, a curva se t orna não 28
linear, alcançando um pico onde a tensão de cisalhamento é máxima. Em seguida, esta tensão cai abruptamente a um nível constante denominado resistência ao cisalhamento residual. Se o valor máximo da resistência ao cisalhamento diferir muito das tensões normais, a curva torna-se linear, com inclinação igual ao ângulo de atrito, interceptando o eixo da resistência ao cisalhamento no valor da coesão. O valor máximo da resistência ao cisalhamento é dado por:
= cp +
.tg
p
Onde: τ = resistência ao cisalhamento de pico; c p = coesão; σ = tensão normal efetiva; φ p = ângulo de atrito de pico Para o valor de resistência ao cisalhamento residual (c p = 0),
= φ
.tg
r
= ângulo de atrito residual ( φ r < φ p ).
r
- Influência da água nas descontinuidades planares (ou na resistência ao cisalhamento) A presença de água na interface dos planos da descontinuidade faz com que a resistência ao cisalhamento se reduza devido a uma diminuição na tensão normal, provocada pela água.a nova equação é dada por: τ = c p + (σ - u).tgφ p Onde u = pressão d’água. A influência da água nas descontinuidades planares depende da natureza do material do preenchimento. Testando a resistência ao cisalhamento de descontinuidades na rocha: A obtenção de valores da resistência ao cisalhamento, para uso em projeto, requer ensaios podendo ser realizados em sofisticados laboratórios ou in situ, sendo reproduzidas de forma tão precisa quanto possível. A escolha destes testes leva em conta a natureza do problema, o tempo e o dinheiro disponíveis. Todavia, em projetos de taludes críticos, tais como aqueles próximos à instalação principal de uma planta, nenhum esforço ou gasto pode ser dispensado para obtenção de valores seguros para a resistência ao cisalhamento para descontinuidades críticas encontradas no maciço. Por outro lado, cálculos preliminares da estabilidade realizados durante os estudos do fechamento de uma cava da mina são geralmente restringidos em termos de acesso ao maciço e também à disponibilidade de tempo e dinheiro, daí testes elaborados e caros não são justificáveis. Estimativa da resistência à compressão em descontinuidades e do ângulo de atrito: Quando for impossível se realizar algum tipo de teste, as características da resistência ao cisalhamento das superfícies da rocha podem ser aproximadas através do uso de equações específicas. Estas equações necessitam de valores estimados ou calculados para a resistência à compressão, para o ângulo de atrito e para a média do ângulo de rugosidade da superfície. Determinação do ângulo de atrito: O ângulo de atrito básico poderia ser determinado em ensaios diretos de cisalhamento em superfícies de rochas macias preparadas por meio de uma limpeza e corte com serra adiamantada. Os valores da resistência ao cisalhamento residual obtidos de testes de cisalhamento em que a amostra foi submetida à considerável deslocamento e podem ser usados para obter o valor do φ . Testes de inclinação em que o ângulo de inclinação necessário para causar deslizamentos é medido para a determinação do ângulo básico de atrito em influência de superfícies de rugosidade em escala muito pequena. Resistência ao cisalhamento de descontinuidades preenchidas: Um problema comum encontrado em projeto de talude de rocha é o de descontinuidades preenchidas com algum material leve. Este preenchimento pode ser por material detrito ou ganga de movimentos de cisalhamentos anteriores, típico de falhas, ou pode ser material depositado na abertura de juntas como resultado dos movimentos de água através do maciço rochoso. 29
Em outro caso, a presença de uma espessura significativa de preenchimento com material leve e fraco pode ser a principal influência na estabilização do maciço rochoso. Quando uma descontinuidade principal com espessura significativa de preenchimento é encontrada no maciço rochoso onde será escavado um talude, é prudente considerar que a ruptura por cisalhamento ocorrerá através do material do preenchimento. Conseqüentemente, em análises preliminares, a influência da rugosidade pode ser ignorada e a resistência ao cisalhamento da descontinuidade pode ser considerada como a do material do preenchimento. Ainda é 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 três a quatro vezes menores que a permeabilidade do maciço rochoso, podendo assim aumentar a demanda de água dentro do maciço. A pressão de água se contrapõe à tensão normal aplicada, diminuindo a mesma e a ruptura pode ser iniciada ao longo da descontinuidade.
CAPITULO 10 – ESCAVAÇÕES Introdução:
Escavação é o processo empregado para romper a compacidade do solo ou rocha, por meio de ferramentas e processos convenientes, tornando possível a sua remoção. Uma escavação pode ser realizada com dois diferentes objetivos, quais sejam obtenção de bens minerais e abertura de espaços para fins diversos. No primeiro caso, as escavações normalmente envolvem grandes volumes de material, tanto estéril como minério e se processam por períodos de tempo muito longos. Já a escavação com finalidade de abertura de espaços pode envolver volumes bem menores de material, sendo executada em tempos inferiores. Como exemplo, pode-se citar o desenvolvimento de canais de irrigação e de navegação, escavações para implantação de barragens, centrais hidrelétricas e nucleares, abertura em corte e/ou aterro ou túneis para rodovias, ferrovias, metrôs, ou ainda implantação de fundações de edifícios, pontes e viadutos, portos e aeroportos, reservatórios de água e outras obras civis em geral. As operações de escavação propriamente ditas são normalmente complementadas pelo carregamento do material escavado, transporte e descarga. Como exemplo de grandes escavações em minerações brasileiras, pode-se citar a mina do Cauê, da Vale, em minas gerais, em operação a céu aberto desde 1942, onde já se havia escavado até 1996 cerca de 890 milhões de toneladas de hematitas e itabiritos, além de mais 390 milhões de toneladas de estéril, convivendo-se com um talude contínuo (sem bermas) de 310 m de altura e talude total de 455 m. As principais minas de ouro da mineração morro velho, quais sejam a mina Velha a céu aberto e subterrânea e a mina Grande, subterrânea, ambas em minas gerais, tiveram a lavra iniciada em 1834. A explotação atingiu uma profundidade de 2.453 m (cota de 1.443,5 m, abaixo do nível do mar) e uma extensão total de galerias estimada em 100 km, com produção total de 333 de ouro até 1996. Outro exemplo interessante é o do garimpo de serra pelada, de onde foram oficialmente obtidas 41 t de ouro numa escavação totalmente manual, onde chegaram a trabalhar até 85 mil homens. A usina hidrelétrica de Paulo Afonso IV possui uma escavação para a casa de força subterrânea de 54 m de altura por 222 m de comprimento e 25 m de largura, num volume de 230 mil m 3 e um volume total de escavações subterrâneas de 510 mil m 3. Podem ainda ser citados os túneis da ferrovia do aço, cujo projeto inicial previa um total de cerca de 100 túneis com aproximadamente 100 km, dos quais a maioria já foi aberta. A parte em operação até 1996 possui cerca de 50 km de túneis, o maior dos quais com 8 km de extensão. Embora as escavações sejam em geral muito criticadas por ambientalistas pela degradação que representam ao meio, estes exemplos mostram a sua importância na vida do homem moderno. Isto ocorre tanto na grande mineração, para obtenção de matéria-prima para a indústria metalúrgica e outros bens minerais imprescindíveis, como em pequenas escavações para extração de matéria prima na construção de moradias (areia, brita, argila para indústria de telhas, tijolos e cerâmicas, etc.).
Tipos de Escavação: Tradicionalmente, as escavações são divididas em dois tipos: • escavação a céu aberto; • escavação subterrânea. Existem ainda diferentes tipos de escavação conforme a categoria do material: 30
escavação comum: indicada para o chamado material de primeira categoria, como solo, material decomposto, aluviões, material heterogêneo com blocos isolados de até 1 m 3, que podem ser removidos diretamente por equipamentos de porte variável previamente definidos em contrato quando necessário; • escavação de rocha por desagregação ou mista: utilizada em material intermediário ou de segunda categoria, tais como rochas mais ou menos rígidas, estratificadas, de diferentes graus de alteração, que devem ser desmontadas e desagregadas por equipamentos de diversos portes (tratores com escarificadores, rompedores, etc.) Ou mesmo com emprego descontínuo de explosivos de baixa potência para posterior carregamento e remoção; • escavação de rocha por explosivos: para material de terceira categoria, qual seja rocha sã ou pouco alterada que não consegue ser escavada por métodos “a frio”. A seleção do método de escavação requer estudos prévios sobre a natureza, qualidade e quantidade do material a remover, seu arranjo espacial, seu comportamento quando removido, o que por sua vez é função de fatores geológicos e geotécnicos. E ainda sobre os possíveis efeitos sobre o terreno e estruturas adjacentes. Depende, ainda, dos propósitos da escavação, dos prazos previstos, da presença de água, da distância aos locais de disposição de estéreis, bem como dos equipamentos de lavra, transporte e apoio disponíveis. •
Condicionantes geológicos: 1) Efeitos das escavações As escavações provocam descompressões no maciço rochoso envolvente, ocasionando assim um estado de tensões induzidas diferente das tensões preexistentes. Essas modificações no estado de tensão ao redor das escavações, que são função de suas dimensões e geometria, bem como do método de abertura e cuidados na execução, podem provocar deformações elásticas ou plásticas e deslocamentos que se refletem principalmente em suas descontinuidades. Os deslocamentos sofridos eventualmente causam o rompimento do maciço rochoso. Em escavações a céu aberto, isso pode significar o escorregamento de taludes, seja de uma pequena porção de um banco até a movimentação de grandes massas. Já para escavações subterrâneas, pode haver desde pequenos desplacamentos superficiais até desabamento de tetos ou paredes ou ainda rompimento de pisos e, eventualmente. Colapso total da escavação, em função da forma e seção da escavação. 2) Escavabilidade: Escavabilidade é a maior ou menor facilidade do maciço em ser escavado. A tabela abaixo apresenta uma classificação dos materiais quanto à escavabilidade. As características não tradicionais da rocha, como dureza e tenacidade, são importantes nos estudos de escavabilidade, além daquelas que condicionam a perfurabilidade.
Tabela 8: Classificação dos materiais quanto à escavabilidade.
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A dureza da rocha e a sua resistência á penetração por diferentes artefatos afiados é um conceito relativo, um pouco distinto da dureza do mineral. A tabela seguinte apresenta uma classificação para diferentes durezas de rocha, comparando-as com a dureza Mohs para minerais e com a resistência à compressão uniaxial.
Tabela 9: Classificação das rochas por dureza A tenacidade é a característica da rocha que representa a maior ou menor resistência à separação em pedaços, ao ser golpeada por um martelo. Entretanto, distorções podem ocorrer nesse conceito, pela presença de fraturas que interferem no rompimento ou em função da direção do golpe. A resistência à tração e à compressão são também características diretamente proporcionais á maior dificuldade da escavação. A figura seguinte apresenta uma relação entre métodos tanto de escavação como de perfuração versus a resistência à compressão uniaxial para diferentes rochas comuns no Brasil, associadas á sua classificação.
Figura 17: Análise de resistência à compressão uniaxial 32
A densidade da rocha influi também nas condições de escavação. Solos e rochas mais densos requerem maior energia para serem escavados e mobilizados. O empolamento ou expansão volumétrica é 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 calcários e 45% em rochas mais duras e compactas. Esse empolamento implica numa redução na densidade do material desmontado. 3) Estruturas geológicas Algumas características estruturais do maciço rochoso são de grande importância, principalmente para o desmonte de rocha por explosivos. A geologia muitas vezes determina a altura das bancadas em escavações a céu aberto, quer pela estabilidade das faces, quer pela própria adequação das malhas de perfuração e tipo de explosivo. Determina ainda a orientação da bancada, preferencialmente paralela aos planos do principal sistema de juntas, acamamento, xistosidade e outras estruturas. Normalmente, as juntas representam regiões de fraqueza que podem permitir um corte melhor numa dada direção. Para escavações subterrâneas, a geometria do projeto não pode normalmente ser alterada pela presença de juntas ou acamamentos. A importância de descontinuidades e planos de fraqueza é, entretanto, significativa tanto sob o ponto de vista operacional na execução da escavação propriamente dita (plano de fogo, por exemplo), como na forma final da cavidade aberta (contorno), e ainda na definição da necessidade de eventuais tratamentos. Uma direção predominante de fraqueza num maciço rochoso condiciona a forma final obtida numa escavação em decorrência de sobre escavações ou overbreak que provoca, conforme mostra a figura abaixo.
Figura 18: Modelos de escavações
CAPITULO 11 - EQUIPAMENTOS E MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO Escavações a céu aberto: Escavações em solo a céu aberto podem envolver pequenos serviços executados por homens munidos de pás e picaretas. Escavações maiores requerem equipamentos de maior porte e atividades específicas. Cerca de 30% da crosta terrestre é formada por solos, folhelhos, argilitos e outras rochas que podem ser escavados sem o uso de explosivos. Decapeamento: O decapeamento consiste na remoção do solo e rocha alterada da superfície para se chegar à rocha sã. Muitas vezes, a camada superficial de solo com resíduos vegetais é estocada à parte, para posterior recobrimento das escavações.
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Escavações convencionais são normalmente desenvolvidas em bancadas de altura variável. Além dos equipamentos utilizados no decapeamento, três equipamentos são os mais usuais para escavações a céu aberto, sendo também utilizados para carregamento de rocha após seu desmonte por explosivos.
Figura 19: Equipamentos usados para decapeamento
Dragagem: A dragagem é usada para a remoção de materiais que estão abaixo do nível d’água. Para tanto, são utilizados os seguintes métodos: - Dragagem por sucção: usada tanto para a execução ou aprofundamento de canais de irrigação, drenagem ou navegação, como para extração de materiais para aterro ou uso civil (areia, argila, silte, cascalho). - Dragagem por draglines ou clamshells: método cíclico com utilização de equipamentos com caçambas de diferentes capacidades, que efetuam a escavação em níveis inferiores à praça em que se apóiam. Outros tipos comuns de dragas são as dragas de alcatruzes, as de roda de caçambas, etc. A lavra por tira (stripping mining) é um método utilizado principalmente para mineração de camadas pouco profundas. Sub horizontais e com grande extensão e volume. É muito usado no mundo todo na lavra de carvão e bauxita
Figura 20: Tipos de equipamento de dragagem 34
Escavações subterrâneas: Escavações subterrâneas em material pouco consolidado geralmente requerem algum tipo de sustentação, que pode ser feita por diferentes métodos; sua aplicação normalmente representa um custo significativo na execução da obra. Assim, escavações subterrâneas necessitam de uma investigação geológico-geotécnica preliminar o mais detalhada possível para evitar-se situações imprevistas, que podem alterar grandemente tanto o custo quanto o cronograma da obra, justificando investigações detalhadas e exposição á água, ar e gases e, ainda, sem necessidade de suporte, seria o mais indicado para escavação a um menor custo. Obras civis: Cada tipo de obra civil possui diferentes características geométricas, com seções e comprimentos muito variáveis, executadas em diferentes condições geológicas. Em função de tais condições, os equipamentos são muitas vezes específicos, bem como o próprio método de ataque, que por vezes é feito em seção plena (para seções médias a pequenas), ou em duas ou mais fases executivas (normalmente, abertura inicial da abóbada e posterior rebaixo). Os diferentes tipos de seção são função do uso futuro do túnel. Para transporte de água, as seções devem ser normalmente circulares. Geralmente, túneis ferroviários possuem seção em forma de ferradura. Seções circulares, muitas vezes, são utilizadas em material pouco consolidado para aumentar a estabilidade e facilitar o revestimento. Normalmente, as abóbadas de túneis são arredondadas, também com esses objetivos. CAPITULO 12: MINERAÇÃO SUBTERRANEA: Uma mineração subterrânea exige a construção de uma série de galerias e escavações próximas e semelhantes em geometria, geologia e sistema de execução e fatores de segurança inferiores aos de obras civis. Além de galerias e travessas sub horizontais, escavam-se também poços (ou shafts) verticais para transporte de homens, minério/estéril ou equipamentos, ou ainda inclinados tais como chutes descendentes, passagens ou ainda chaminés para minério e/ou estéril, ou ainda raises ascendentes e winzes descendentes para interligação de níveis diferentes.
A figura abaixo mostra um esquema de mina subterrânea. Figura 21: Desenho esquemático de mina subterrânea
Equipamentos de carregamento e transporte: • Carregadeiras tipo overshot : são equipamentos que coletam o material desmontado e o descarregam, geralmente em vagonetas. • Rastelos (slushers): são equipamentos que arrastam o minério a distâncias de 15 a 120 m. Sendo acionados por ar comprimido ou eletricidade; • Pás carregadeiras rebaixadas : são equipamentos similares carregadeiras convencionais, porém com perfil 35
mais baixo para trabalhar em túneis e galerias de pequena altura. • Carregadeiras de carvão: equipamentos com dois braços articulados, semelhantes a garras que puxam o material e o direcionam para transportadores sobre correntes. • Vagões e vagonetas ferroviários: movem-se sobre trilhos, podendo ser empurrados por homens, puxados por locomotivas elétricas (eventualmente por baterias recarregáveis), ou ainda tracionados por correntes e engrenagens; • Transporte por correia transportadoras.
Figura 22: Desenho esquemático com localização de equipamentos para mina subterrânea
CAPITULO 13: INVESTIGAÇÕES MECÂNICAS Os processos de investigação mecânica utilizados atualmente nos estudos de geologia de engenharia no Brasil são praticamente os mesmos desde a época do grande surto de desenvolvimento de nossa infra-estrutura, ocorrido nas décadas de 60 e 70. Os principais métodos de investigação mecânica de campo utilizados para reconhecimento geológicogeotécnico são: • sondagem a varejão (sv); • sondagem a trado (st); • poço ou trincheira de inspeção (pi/ti); • sondagem a percussão (sp); • sondagem rotativa (sr); • perfuração com rotopercussão (rp); • galeria de investigação (gi). Nas fases iniciais de qualquer projeto é comum o emprego intenso de métodos mais simples, ou seja, os de menor custo unitário. Nesta fase inicial do projeto são realizadas sondagens a trado e, quando necessário, escavados poços ou trincheiras com a finalidade de se obter amostras indeformadas de solos ou para mapear as paredes, buscando reconhecer as estruturas geológicas que possam interferir no empreendimento. A medida que as investigações avançam aumenta-se o número de sondagens e estas passam, gradativamente, para as mais sofisticadas (percussão e rotativa), que apresentam maior custo unitário. Além disso, as profundidades de investigação tornam-se cada vez maiores e dirigidas a alvos específicos. 36
1) poço e trincheira de inspeção Os poços de inspeção são escavações 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 descrição do poço podem ser feitas avaliações detalhadas da macroestrutura dos horizontes atravessados, da permeabilidade, resistência do solo, etc. Quando é necessário analisar grandes extensões do terreno, utilizam-se trincheiras de seção retangular alongada.
Figura 23: Desenho esquemático de poço de inspeção O poço de inspeção em rocha é feitos com furos de martelete e explosivos ou com sonda rotativa de grande dimensão. O diâmetro destes poços varia de 1 a 3 m em média. Tais poços permitem o exame direto de feições geológicas ou geotécnicas importantes do maciço rochoso.
2) sondagem a varejão: A sondagem a varejão é feita com uma haste lisa de ferro, cravada manualmente, ou por golpes de marreta, em sedimentos inconsolidados submersos. E usada para o reconhecimento de aluviões, superfícies rochosas no leito de um rio e para avaliar depósitos de areia e cascalho para uso na construção civil. A haste geralmente penetra até 2 m no aluvião arenoso inconsolidado e o material atravessado pode ser identificado pela reação sonora e vibratória do processo. Em argila, a penetração é macia, em areia áspera e em depósitos de areia com cascalho observam-se bloqueios esparsos na cravação da haste. 3) sondagem a trado: A sondagem a trado é uma perfuração manual de pequeno diâmetro, feita com um trado para a investigação de solo de baixa a média resistência. O trado geralmente é constituído por uma concha metálica dupla ou uma espiral que perfura o solo enquanto guarda em seu interior o material perfurado. O equipamento é acionado por hastes de aço rosqueáveís e composto, em seu topo, por uma cruzeta para aplicação de torque. O diâmetro usual do trado é de 3” (aproximadamente 7.6 cm) entretanto, nos trechos iniciais das sondagens rotativas emprega se o diâmetro de 4” (aproximadamente 10,2 cm). A coleta de amostras é feita a cada metro de avanço ou quando ocorre mudança do tipo do material perfurado, para que seja identificada uma possível mudança de horizontes pedológicos ou de camadas geológicas. E muito importante coletar a última amostra retirada do furo e anotar o motivo da paralisação da perfuração. 37
A sondagem a trado geralmente penetra somente os horizontes de solo (baixa a média resistência) e acima do nível d’água. Todavia, camadas argilosas plásticas situadas abaixo do nível d’água podem ser amostradas com trado tipo espiral. Camadas de seixos ou blocos de rocha impedem o avanço deste tipo de sondagem. A investigação a trado geralmente é utilizada para o estudo de áreas de empréstimo de solo e de subleitos de
rodovias. Figura 24: Desenho esquemático de sonda a trado
4) Sondagem a Percussão: A sondagem a percussão ou sondagem simples e o processo de investigação mais comum empregado na caracterização da cobertura terrosa dos terrenos naturais. O equipamento utilizado é simples e consta basicamente de um tripé, uma bomba de água, um tanque de água de 200 l e ferramentas de corte do solo. O diâmetro normal da perfuração é de 2. 5” e em geral a sua profundidade varia de 10 a 20 m. A sondagem a percussão é limitada pela ocorrência de material duro, como, matacos, seixos ou cascalhos de diâmetro grande. - Ensaio stp: a cada metro de perfuração é feito um ensaio de cravação de um barrilete, tubo oco de 45 cm, no fundo do furo, para medida de resistência do solo e coleta de amostra pouco deformada. para cravar o barrilete é usado o impacto de uma massa metálica 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 resistência de camadas muito consolidadas, que não podem ser atravessadas com o barrilete amostrador da sondagem a percussão, são feitas medidas da velocidade de avanço da sondagem com o processo de lavagem. esse procedimento, denominado ensaio de lavagem por tempo, muito aplicado em rochas sedimentares pouco cimentadas, consiste na operação padronizada dos movimentos do conjunto do trépano e hasteamento, com quedas livres a intervalos regulares de uma altura de 30 cm, durante 10 minutos, com medidas do avanço do furo nesse tempo. - Coleta de amostras:na sondagem a percussão são coletadas amostras obtidas pelo barrilete amostrador e aquelas retiradas nos avanços dos furos .as amostras retiradas do barrilete devem ser acondicionadas em frascos, para a manutenção da umidade natural e das suas estruturas geológicas. As amostras de trado devem ser acondicionadas em sacos plásticos ou ordenadas nas próprias caixas de amostragem. As amostras retiradas por sedimentação da água de lavagem ou de circulação também devem ser guardadas. Elas são constituídas principalmente pela fração arenosa do solo original, pois os finos geralmente são levados pela água de circulação da sondagem.
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Figura 25: Desenho esquemático da sonda a percussão
5) sondagem rotativa: A sondagem rotativa é um tipo de investigação feita com um tubo, denominado barrilete, dotado de uma peça cortante, feita com material de alta dureza (coroa) em sua ponta, que perfura o terreno através de um movimento de rotação. O barrilete geralmente tem uma camisa livre em seu interior para preservar o testemunho do terreno, que constitui a parte central da área anelar cortada pela coroa. Para rochas brandas utiliza-se coroa com pastilhas. Para rochas de média e alta dureza emprega-se coroa com diamante industrial, na forma de pequenos grãos incrustados ou grânulos disseminados numa matriz, formada pela mistura de vários metais, submetidos á sinterização. Existem barriletes e coroas de várias dimensões para permitir a execução das perfurações em série telescópica. Com isso é possível manter protegida, com revestimento, parte da parede do furo, constituído por material que pode desmoronar, enquanto a perfuração prossegue com um diâmetro menor. O equipamento básico para a sondagem rotativa consta de uma sonda motorizada, bomba de água, hastes, barriletes e coroas. As sondas geralmente imprimem o avanço da perfuração, pressionando o hasteamento rotatório com macacos hidráulicos. A operação 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 recuperação devido à deficiência de operação do equipamento devem ser indicados na caixa de testemunhos e no boletim de sondagem. Nas perfurações em rochas calcárias e efusivas basálticas ocorrem, por vezes, cavidades com água ou lama, onde o avanço da sonda se faz sem qualquer resistência e também devem ser indicadas. Enfim, todos os fatos ocorridos durante a execução de uma sondagem devem ser criteriosamente registrados para que os resultados da investigação possam ser corretamente interpretados. Os testemunhos obtidos nas sondagens devem ser guardados em caixas de madeira ou de plástico com tampa. Estes devem ser dispostos na seqüência exata de sua posição no furo, da esquerda para a direita e de cima para baixo, tal como a escrita de um texto .
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Figura 26: Desenho esquemático da sonda Rotativa Medida do desvio da sondagem: Em maciços rochosos com forte anisotropia de resistência mecânica, ocasionada por alteração diferenciada no material ou pela presença de veios de quartzo, por exemplo, pode ocorrer desvio na direção da sondagem. Em sondagens inclinadas, mesmo em materiais de resistência homogênea, existe a tendência do furo é desviar-se para cima em razão das hastes ficarem apoiadas na parte inferior da seção do furo, forçando o barrilete e a coroa para o sentido oposto. O desvio do furo pode ser medido com o auxílio de um equipamento capaz de registrar seu rumo e inclinação. Tal equipamento é dotado dc um mecanismo de relógio, para acionar o travamento depois de decorrido certo tempo, e de uma bússola com clinômetro, para medir a direção e a inclinação. Como este equipamento é de orientação magnética, não é aplicável em rochas de forte magnetismo. Orientação dos testemunhos: A orientação dos testemunhos de sondagem e, conseqüentemente, de todas as feições encontradas (fraturas, foliação, diques. Veios, etc.) Pode ser feita por procedimento que assinale, no topo da primeira amostra de uma manobra possibilitando a definição da posição espacial da amostra coletada, quando ela ainda está incorporada ao maciço. Com um segmento de testemunho orientado é possível então fazer uma montagem com os demais, acima e abaixo dele é possível, ainda, orientar o testemunho a partir de estruturas geológicas previamente conhecidas.
6) Sondagem a Rotopercussão: A sondagem rotopercussiva é utilizada para avaliar, preliminarmente, a posição do topo da rocha e a homogeneidade de um maciço rochoso, o furo geralmente tem 3” de diâmetro e um comprimento de até 25m excepcionalmente, a profundidade ultrapassa 35 m; porém, a retirada do material toma-se difícil. A sonda é constituída por uma perfuratriz (martelo), torre, hastes, comandos pneumáticos e ferramenta de perfuração. Todo conjunto está montado em estrutura metálica e sob esteira rolante. Para acionar a sonda é necessário um compressor de ar ou rede de ar comprimido.em obras subterrâneas, por exemplo túneis, emprega-se a 40
rotopercussão para investigação horizontal de frentes de escavação, campanhas de injeção e drenos, etc.
7) Trado Oco: O trado oco, ou hollow stem auger, cujo principio de funcionamento foi idealizado há alguns anos, passou a ter um uso freqüente a partir da intensificação dos estudos ambientais, devido á sua capacidade em recuperar amostras contínuas do maciço, sem provocar alterações nos níveis de contaminações das diversas camadas do perfil amostrado. Os equipamentos disponíveis no mercado são automáticos e montados sobre caminhão, chassi sobre pneus ou esteiras e possuem capacidade de: • abrir furos a seco com o hollow stem auger; • construir poços de monitoramento; • amostrar de forma contínua o solo; • executar ensaios sf1 com emprego de maneio automático; • realizar sondagens rotativas; • atingir profundidades superiores a 60 m com diâmetro de até 12”. Para amostragem continua de terrenos arenosos utiliza-se mola retentora no barrilete bipartido. É importante ressaltar a dificuldade em medir o nível d’água durante a perfuração sendo recomendada sua medição por meio de um furo auxiliar executado nas proximidades do local investigado. 8) Galeria de Investigação: A galeria constitui um elemento de investigação eficiente, por permitir o acesso direto ás feições frágeis do maciço, em uma grande área de exposição. Numa galeria é possível medir a posição espacial de planos de fraqueza do maciço, executar ensaios para determinação de parâmetros geomecânicos e fazer observações diretas quanto ás condições de fluxo da água subterrânea. Ela proporciona também um ótimo teste piloto das condições do maciço, visando à construção de obras subterrâneas, com a observação direta do tempo de sustentação proporcionado pelos vários tipos de maciço, da necessidade de escoramento, das infiltrações, etc. Em geral, a galeria de investigação é feita na fase final do projeto básico ou no início da execução, pois é uma investigação relativamente cara, exigindo profissionais experientes, além 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 projeção das paredes e do teto. O piso quase nunca mapeado porque os resíduos acumulados e o pisoteamento dificultam a observação das feições do maciço. Entretanto, há locais onde é necessário mapeá-lo.
Figura 27: Desenho esquemático de Galeria de Investigação 41
CAPITULO 14 - TÉCNICAS DE SUSTENTAÇÃO SUBTERRÂNEAS
Introdução: O espaço subterrâneo tem tido cada vez mais importância nas obras civis, devido a vários fatores: • maior barateamento e rapidez dos métodos executivos; • maior segurança devido a métodos mais adequados de reforço e tratamento de maciços; • métodos de análise mais precisos e com modelos mais representativos; • no caso das áreas urbanas, acrescente-se também o custo mais elevado do espaço superficial e o seu congestionamento já atingido com outras obras. isto tem viabilizado diversas aplicações não-usuais, como estádios esportivos, estacionamentos, áreas comerciais, etc. Os principais tipos de obras subterrâneas civis são os túneis, acessos e galerias, poços e cavernas. 1) Túneis: Atualmente, os túneis respondem por mais de 90% do volume de escavações subterrâneas civis em todo mundo, sendo o tipo de obra subterrânea civil. Em sua maioria, fazem parte de diferentes sistemas de transporte, armazenamento, adução, geração, transmissão de energia, redes de distribuição, passagens de pedestres, tubulações hidráulicas, comunicação e dutos de ventilação. Seus comprimentos e seções transversais mais comuns variam respectivamente de 150 a 1.500 m e 15 a 75 m 2 em estações metroviárias subterrâneas. 2) Acessos e Galerias: Os acessos e galerias constituem pequenos túneis de comprimentos e seções transversais, geralmente abaixo de 150 m e 15 m 2, respectivamente. Podem servir para transferir vazões líquidas sob pressão ou sob ação exclusiva da gravidade. Possibilitam interligações permanentes ou temporárias entre obras de maior porte, subterrâneas e/ou em superfície, necessárias ao deslocamento dos equipamentos de remoção dos materiais escavados. Podem servir, ainda, como escavações piloto para túneis maiores, como investigações de frente, drenagem, etc. 3) Poços: Os poços servem, fundamentalmente, para interligar diferentes cotas com pequeno desenvolvimento em planta. Geralmente possuem seções transversais de 4 a 16 m 2, podendo atingir de 30 a 60 m 2 quando servem de dutos de ventilação e vencem desníveis de dezenas a centenas de metros. Podem acomodar instalações industriais diversas, servir como dutos de ventilação forçada ou natural, possibilitar transporte vertical de materiais e equipamentos, etc. Quando escavados a fogo, suas inclinações podem ser de vertical as próximas de 45º (1:1), permitindo que o material detonado possa fluir livremente para baixo, por gravidade. 4) Cavernas: As cavernas resultam de grandes escavações, 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 hidromecânicos para geração de energia elétrica ou para recalcar vazões de água bruta ou servida.
Água Subterrânea: A água subterrânea pode interferir de várias maneiras nas obras civis, por exemplo, extravasando para o interior de escavações e provocando a inundação da obra. Essa situação ocorre quando a superfície do lençol freático é alcançada pela obra de engenharia, por exemplo, quando se escava para a construção dos pavimentos subterrâneos de um edifício, tornando necessário o esgotamento da água, para que os serviços de construção possam ser feitos. Os vazamentos podem tornar-se críticos quando a água percola pelo interior do maciço com carga hidráulica elevada e aflora à superfície sob pressão. O processo de erosão tubular regressiva, bem como os parâmetros hidrogeotécnicos que interferem no comportamento da água subterrânea nos maciços, tais como a carga hidráulica, a poropressão ou subpressão. O gradiente hidráulico e outros são apresentados os problemas mais importantes associados com a água subterrânea, para cada tipo de obra. Rebaixamento do lençol freático: A água subterrânea existente em um maciço geológico pode interferir de várias maneiras em uma obra de engenharia, uma das quais é fluindo do maciço para o interior de uma escavação. Inundando-a ou provocando a instabilização das paredes da escavação por erosão interna. O controle da água subterrânea, com o objetivo de diminuir as pressões e disciplinar seu fluxo, reduzindo ou eliminando sua presença de certas partes do maciço, pode ser feito pelos métodos ou sistemas de rebaixa42
mento do lençol freático. Os sistemas de rebaixamento recebem esse nome porque resultam num abaixamento da superfície do lençol freático e, como quase sempre requerem o uso de bombas hidráulicas para a extração de água. Cavas e valetas de drenagem: As cavas e valetas de drenagem são abertas na superfície do terreno ou no interior de escavações, de maneira que o fundo intercepte o lençol freático. A lâmina de água subterrânea interceptada flui para o interior das valetas e poços sendo bombeada para fora da escavação, a partir de um ou mais poços de coleta, conforme mostrado na figura abaixo.
Figura 28: Diagrama esquemático lençol freático Ponteiras filtrantes: As ponteiras filtrantes são empregadas para o rebaixamento do lençol freático em solos moles e incoerentes. Em geral são construídas em linha, com espaçamento entre ponteiras variável em função da permeabilidade do solo. São constituídas por tubos de aço, geralmente de 50 mm de diâmetro providos de ranhuras filtrantes na extremidade inferior, introduzidos no terreno mediante injeção de água sob pressão e rotação dos tubos. A ação combinada da injeção de água e da rotação dos tubos permite o avanço em solos moles e incoerentes, tais como argilas e areias aluvionares. A extração da água é feita por uma bomba de vácuo acoplada a uma tubulação de descarga disposta ao longo das ponteiras, sendo necessária boa vedação das conexões. A sucção do ar reduz a pressão atmosférica no interior da tubulação e das ponteiras, promovendo a retirada de água do aqüífero. As ponteiras filtrantes evitam o carreamento de partículas do solo e, conseqüentemente, a ocorrência de erosão interna regressiva, permitindo o rebaixamento máximo efetivo do lençol freático de 4 a 5 m. Poços de Bombeamento: Os poços de bombeamento são empregados para o rebaixamento do lençol freático em qualquer tipo de solo e de rocha. Podem ser construídos com espaçamento pré-determinado, porém, geralmente, são posicionados individualmente, de forma a possibilitar maior eficiência de rebaixamento em função das condições hidrogeológicas locais. Os poços de bombeamento são construídos por meio de uma perfuração com diâmetro geralmente entre 8” e 16” na qual é introduzida uma tubulação, com um tubo filtrante na extremidade inferior com diâmetro entre 4” e 8” de aço ou pvc. O espaço anelar entre o tubo filtrante e a parede da perfuração é preenchido por um filtro de areia, chamado de pré, filtro, com granulometria adequada a da camada que constitui o aqüífero. Acima do pré-filtro deve ser colocado um selo de solo argiloso ou bentonita, de forma a evitar o fechamento do pré-filtro. A perfuração é executada com revestimento sacado à medida que se coloca o pré-filtro e o selo, sendo conveniente evitar o emprego de lama bentonitica para a perfuração. A tubulação do poço também chamada de tubulação de descarga e o tubo filtrante devem ser centralizados na perfuração e um medidor de nível d’água instalado no pré-filtro, junto à parede da perfuração, para avaliar o 43
desempenho do pré-filtro e do filtro.
Figura 29: Desenho esquemático de um poço A extração de água é feita, em geral, por meio de um conjunto motobomba, de acionamento elétrico, submersível, colocado no interior do tubo filtro e provido de uma tubulação de descarga de diâmetro compatível. O sistema de injeção, de ar ou de água, apesar do baixo rendimento, tem a vantagem de poder operar intermitentemente, ou seja, quando não há água suficiente no interior do poço para ser bombeada, sem danificar o sistema.
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Figura 30: Desenho esquemático de poço com bombeamento Dreno Horizontal Profundo O dreno horizontal profundo, mais conhecido pela sigla dhp, é utilizado para a drenagem localizada de camadas ou feições do maciço geológico. O dhp é construído por meio de uma perfuração sub horizontal acompanhada por revestimento, geralmente com diâmetro de 100 mm, executada com equipamento de sondagem rotativa ou rotopercussiva. Nessa perfuração é introduzida uma tubulação de pvc rígido, geralmente de 38 a 50 mm de diâmetro, a maior parte da qual é constituída por um tubo filtrante. O trecho filtrante é constituído por furos ou ranhuras no tubo de pvc, envolvendo-se o trecho perfurado com uma manta geotêxtil, quando o dhp é instalado em solo ou então, em duas voltas de tela plástica de malha fina, quando instalado em rocha. O principio de funcionamento do dhp é a introdução no interior do maciço geológico de uma tubulação com pressão atmosférica permitindo que a eventual pressão do aqüífero seja aliviada a uma distância conveniente da face de escavação ou do talude, propiciando uma imediata melhoria da estabilidade.
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Figura 31: Desenho esquemático de dreno horizontal Drenos de Alívio Os drenos de alívio recebem esse nome por auxiliarem na redução da pressão de água no interior do maciço geológico, quando aplicados em rocha são deixados abertos, sem tubulação ou filtro. A água retirada é conduzida para um sistema de coleta, podendo ser transferida para outras partes do maciço. Os drenos de alívio em rocha são construídos por meio de perfurações feitas, em geral, com o emprego dc equipamentos de rotopercussão, com diâmetros apropriados, geralmente da ordem de 75 mm. São muito empregados em barragens de concreto, nas quais são instalados a partir de galerias de drenagem, construídas no interior da barragem, próximas à fundação. Galerias de Drenagem As galerias de drenagem são utilizadas quando é necessária a retirada de grandes volumes de água do maciço ou quando o emprego de outros sistemas é inviável ou insuficiente para alcançar o rebaixamento pretendido, seu uso é limitado devido ao custo elevado de construção da galeria. As galerias de drenagem, geralmente, são construídas em maciços de rocha, porém, podem ser instaladas em maciços de solo, normalmente com diâmetro inferior a 3 m. Quando não necessitam de revestimento, as próprias paredes da galeria drenam o maciço, entretanto, são instalados drenos de alívio, em rocha, em solo, a partir das paredes, radialmente. As galerias de drenagem têm sido empregadas em maciços rochosos sob as fundações de barragens, em taludes e em cavas de mineração e drenagem de túneis.
Injeções: O tratamento do maciço por injeção consiste em fazer penetrar nos vazios do maciço geológico, por exemplo, nas fraturas de uma rocha, um produto líquido, suscetível de endurecer com o tempo. Este produto, chamado de calda de injeção, tem características diferentes conforme seja o objetivo do tratamento, de consolidação ou de impermeabilização do maciço. As caldas de injeção usualmente empregadas são constituídas por uma mistura fluida de água e cimento, a qual pode ser adicionada bentonita, areia e outros produtos. A calda é injetada através de furos, feitos com equipamentos de perfuração, que atravessam o trecho do maciço cujos vazios devem ser preenchidos. Para a penetração da calda, geralmente, aplica-se uma pressão na calda de injeção, chamada de pressão de injeção, com emprego de uma bomba hidráulica apropriada. O maior emprego das injeções ocorre no tratamento de maciços rochosos, com o uso de caldas à base de água/cimento, apesar das injeções terem sido empregadas para o tratamento de solos arenosos ou com pedregulhos. As injeções são também utilizadas para a fixação e proteção de ancoragens, principalmente em solo. 1) caldas de cimento: As caldas de água/cimento são geralmente definidas pela proporção água/sólidos. Cujos valores mais usuais situam-se entre 1:1 a 0,5:1. A proporção de água determina a viscosidade e a fluidez da calda, sendo responsável pela sua injetabilidade, ou seja, sua capacidade de ser bombeada e penetrar nos vazios do maciço. A areia é adicionada as caldas de água/cimento quando os vazios a serem preenchidos são maiores. A bentonita é utilizada para melhorar a injetabilidade da calda. Por outro lado, como a calda deve ser capaz de penetrar no vazio a ser obturado, a granulometria da fração sólida da calda deve ser inferior ao tamanho dos vazios. Assim, a permeabilidade não necessariamente reflete a injetabilidade do maciço, uma vez que altas permeabilidades podem ser devidas as grandes aberturas. 46
Com caldas à base de água/cimento, fraturas com abertura abaixo de 0,1 mm não são injetáveis, devido ao tamanho mínimo das partículas de cimento. A estabilidade da calda, ou seja, o tempo para que ocorra a sedimentação da fase sólida da calda também é importante para a injeção.
Tabela 10: Tipos da Calda 2) Injeções de Maciços Rochosos: As injeções de maciços rochosos podem ser feitas para a sua impermeabilização e para a sua consolidação. As injeções de impermeabilização ou de vedação são muito empregadas em barragens, por meio de cortinas de injeção ou de vedação executadas no perímetro de montante das estruturas de concreto ou ao longo do eixo em barragens de terra. As injeções de consolidação podem ser utilizadas em maciços rochosos de fundações e taludes, nesses casos segundo uma malha geométrica ou em escavações subterrâneas de maciços muito fraturados. Algumas vezes as injeções são utilizadas para consolidar materiais soltos produzidos por desabamentos em túneis de forma a permitir a retomada da escavação. A geometria dos furos de injeção estão relacionados a direção e inclinação das perfurações: • das pressões de injeção; • dos procedimentos de injeção; • dos critérios de recusa; • dos equipamentos de injeção. A geometria dos furos de injeção depende essencialmente das características das descontinuidades a serem obturadas. As pressões de injeção dependem da densidade da calda, da posição do lençol freático e das perdas de carga na tubulação de injeção. Quanto maior a pressão de injeção, maior será o raio de alcance da calda a partir do furo e a possibilidade de injeção de fraturas de pequena abertura. Quando o fluxo de calda é pequeno, devido à pequena abertura das descontinuidades, a pressão da calda no interior da fratura será rapidamente equalizada, permitindo a utilização de pressões de injeção mais altas. Nas injeções ascendentes o furo é executado até a profundidade final e a injeção é feita com o auxilio de um obturador, posicionado na extremidade superior de cada trecho a injetar. Nas injeções descendentes o furo é executado até a profundidade do primeiro trecho de injeção executandose a injeção do trecho com um obturador posicionado no topo do trecho.
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Figura 32: Etapas da Injeções Ascendentes e Descendentes Após a pega da calda inicia-se o furo no trecho injetado prosseguindo com a perfuração até o final do segundo trecho de injeção, repetindo-se a seguir as operações até alcançar a profundidade final do furo. Os critérios de recusa de calda, ou seja, o momento em que o bombeamento de calda é interrompido, paralisando a injeção ou substituindo a calda em uso, são fixados em função da extensão a ser tratada, das características da calda e da quantidade de calda já injetada. 3) Injeções de maciços de solo: O tratamento de solos granulares, em particular areias e cascalhos aluvionares, pode ser feito utilizando caldas de cimento de composição mais estável, mediante o uso de cimentos ultrafinos e adição de bentonita. Caldas constituídas por misturas de silicato de sódio e ácidos, que produzem um gel de silicato ou sílica gel e caldas á base de resinas, são usadas para solos de granulometria fina, tais como areia fina e silte, de baixa permeabilidade. São empregados os métodos de injeção descendente ou ascendente, utilizando o revestimento temporário do furo para apoio do obturador. Entretanto, o procedimento mais recomendável consiste no emprego de tubos com válvula tipo manchete por permitirem operações de perfuração e injeção independentes e a retomada da injeção, em várias fases, caso necessário. 48
A válvula manchete consta de um anel de borracha flexível envolvendo externamente trechos perfurados da tubulação de injeção, de aço ou pvc rígido. Com o auxílio de um obturador duplo, a calda de injeção é aplicada em uma válvula por vez, rompendo a borracha e permitindo a penetração da calda no solo. A injeção pode ser retomada, a qualquer tempo, voltando-se a aplicar tto tubo com válvulas manchete, a tubulação de injeção com obturador.
Reforço de Maciços de Solo: São conhecidos como métodos de reforço de maciços de solo os processos que promovem a melhoria das características do solo in situ, ou seja, no local onde os mesmos ocorrem, sem ser necessária a sua remoção. O reforço do solo pode ser necessário transitoriamente, por exemplo, para permitir a escavação de um túnel ou definitivamente. Existem inúmeros métodos de reforço de maciços de solo, porém, somente serão abordados a injeção a alta pressão ou jet grouting e os métodos de consolidação e adensamento ou compactação dos solos. Processos de adensamento e consolidação: Os processos de tratamento de maciços de solo por adensamento e consolidação constam, essencialmente, da redução na quantidade de vazios presentes no solo, conhecida como índice de vazios. Essa redução é obtida pela expulsão da água ou do ar dos poros intergranulares e pelo rearranjo das partículas do solo, aproximando-as uma das outras. Em ambos os casos, a compressibilidade do solo diminui e sua densidade aumenta o que leva ao aumento da sua resistência. Os métodos de adensamento e consolidação usuais são o pré-carregamento, a vibrocompactação, a compactação dinâmica e a injeção compactada Pré-carregamento é usualmente empregado para adensar solos de baixa consistência, como uma argila mole. Em geral é utilizado quando a deformação esperada, durante ou após a construção de uma obra sobre tais tipos de solo, é superior a admissível. A técnica consiste, basicamente, em antecipar a deformação, de forma que, depois de concluída a construção, os recalques da obra fiquem dentro de limites toleráveis. A deformação é acelerada pela aplicação, sobre o terreno a consolidar ou compactar, de uma carga superior à carga de trabalho que será aplicada pela obra construída. No caso de aterros, é feita a construção de um aterro com altura superior à prevista, conforme mostrado na figura após a ocorrência da deformação no solo e do conseqüente recalque do aterro remove-se a altura excedente, reduzindo assim a carga aplicada para a carga de trabalho. Vibrocompactação é empregada em solos granulares não coesivos, quando é possível o rearranjamento dos grãos, mediante diminuição do índice de vazios. O processo consiste na perfuração do solo com um equipamento cuja vibração anula as forças que atuam entre os grãos do solo, aumentando sua densidade. Os vibradores têm diâmetro entre 300 e 460 mm e comprimento de 3 a 5 m permitindo o tratamento do solo até cerca de 35 m de profundidade. A compactação dinâmica consiste na aplicação de cargas dinâmicas no solo por meio de impacto em queda livre de uma grande massa na superfície do terreno. São empregadas massas de 6 a 20 toneladas caindo de 20 m de altura. Em solos granulares, o processo provoca o rearranjo das partículas de solo, reduzindo o índice de vazios e aumentando a densidade. Em solos coesivos acima do lençol freático, o processo provoca a expulsão da água dos poros, aumentando a densidade abaixo do lençol freatico requer-se muito mais energia ou seja sucessivas aplicaçoes da carga, para se obter o mesmo adensamento . A injeção compactada consiste na introdução, em per- furações de uma argamassa de calda de cimento, contendo argila para torna-lá mais plástica e areia para elevar o atrito. A argamassa injetada sob pressão no fundo do furo não penetra nos poros de solo formando um bulbo com diâmetro de até 1 m que desloca o solo ao redor da perfuração. O hidrofraturamento é empregado em solos de granulometria fina, cuja injeção é difícil, sendo empregada para aumentar a capacidade de carga de solos moles e fofos e para interromper a ocorrência de recalques em estruturas. A técnica consiste na execução de perfurações na área a ser tratada, dispostas em malha adequada, dotadas de tubo com válvulas manchete em cotas determinadas reduzindo a permeabilidade vertical de maciços de solo. O congelamento do solo consiste na redução da temperatura da água contida no solo até sua solidificação, propiciando a melhoria da resistência do solo e também, sua impermeabilização. O processo é bastante útil, em situações de emergência, por exemplo, para contenção de processos de desplacamento. O congelamento é obtido pela introdução de nitrogênio líquido no solo, cuja temperatura é de -196ºc através de perfurações ou pela circulação de uma resina, resfriada a uma temperatura entre -25 e -30ºc em tubulações com circuito fechado. 49
Injeção a Alta Pressão: A injeção a alta pressão e usualmente conhecida pela denominação de jet grouting vem sendo cada vez mais utilizada devido rapidez e flexibilidade de aplicação, apesar do custo relativamente elevado. O jet grouting consiste na introdução no solo de uma haste de perfuração com diâmetro entre 60 e 100 mm dotada de uma ponteira com bicos de jato alimentados por água sob pressão. O jateamento e a rotação da haste permitem o rápido avanço da perfuração até a profundidade desejada. A seguir, substitui-se a alimentação por uma calda de água cimento, sob alta pressão, erguendo-se gradativamente a haste, conforme mostrado na figura abaixo. O jato de calda, de alta velocidade, entre 200 e 320 m/s desagrega o solo ao redor da perfuração ao mesmo tempo que produz uma argamassa pela mistura dos grãos do solo com a calda.
Figura 33: Desenho esquemático da Injeção a Alta Pressão Ao final do processo obtém-se um cilindro de argamassa chamado de coluna , com diâmetro usual entre 0,4 a 0,8 m. O processo permite a justaposição das colunas, criando uma parede no interior do maciço. O processo de jet grouting aplica se a todos os tipos de solos granulares, tais como areias e cascalhos também pode ser utilizado em solos coesivos constituídos por argilas, desde que a resistência ao corte do solo seja compatível com a força do jato.
CAPITULO 15: SISTEMAS DE SUPORTE Introdução: A seleção do método de suporte para uma escavação no subsolo depende de uma série de fatores. Numa mina, o último fator analisado é o custo global por tonelada de minério. Na seleção do suporte três fatores são importantes. O objetivo primário de um sistema de suporte é mobilizar e conservar inerentes as forças do maciço rochoso, que era anteriormente auto-suportável. Para os custos de suporte de mina, os elementos de maior significado a serem considerados são os seguintes: • Custo inicial do material: diz respeito à disponibilidade • Custo de fabricação: envolve custo do equipamento e do trabalho especializado requerido • Custo de manuseio e transporte: relativo à dimensão e “peso” requeridos e equipamentos • Custo de instalação: relativo à simplicidade, ao tempo e equipamento requeridos • Vida útil: diz respeito à manutenção e substituição necessária e possíveis reutilizações • Custo global: relacionado à resistência e à aplicação eficiente do material, sendo afetado pela dimensão da escavação e pela facilidade de manuseio Na seleção do tipo de suporte a ser empregado, deve se confrontar as várias alternativas possíveis, com os itens acima, visando encontrar um ponto ótimo, do ponto de vista técnico e econômico. Outro fator a ser considerado é o comportamento do maciço. Numa visão simplificada e de cunho prático, podem ser consideradas cinco condições básicas de comportamento do maciço: • A rocha tem comportamento similar ao de um material plástico; 50
A rocha tem comportamento similar ao de uma pilha irregular de blocos que interagem entre si; A rocha é frágil, trinca ou expande-se devido a sua exposição ao ar ou à umidade; A rocha trinca ou explode em virtude das altas pressões; A rocha é auto-sustentável. Um terceiro fator a ser considerado na escolha do suporte está relacionado com o método de lavra . Nem o suporte nem o método de lavra podem ser relacionados independentemente. Uma seleção inteligente do método de lavra pode reduzir os problemas de suporte e também uma seleção inteligente do suporte pode tornar viáveis métodos mais onerosos. Para isso, devem ser examinadas algumas considerações, tais como: • Que tipo de abertura necessita de suporte (poço, túnel, galeria ou realce)? • A necessidade de suporte é temporária ou permanente? • O suporte necessário é contínuo ou permanente? Em relação à necessidade fundamental de manter a via subterrânea aberta, durante o tempo necessário à extração, diversos fatores podem influir no requisito de sua permanência. São eles: • Ventilação; • Prevenção de afluxo de água; • Subsidência superficial (que pode resultar de colapso). A necessidade de suporte contínuo ou descontínuo é influenciada pela estrutura da rocha, bem como pelo método de lavra. • Rochas coesas e maciças necessitam apenas de escoramento pontual (esteios, parafusos de ancoragem etc); • Rochas moles ou finamente estratificadas exigem suportes ao longo de linhas (vigas, quadros etc); • Rochas intensamente fraturadas requerem suporte de toda a área (revestimentos). Os sistemas de suporte destinam-se a conter deformações e deslocamentos do maciço os a recompor o confinamento do maciço, pela melhoria de suas características de resistência. São ainda utilizados para introduzir um confinamento suplementar, quando a solicitação imposta por uma obra de engenharia ultrapassa a capacidade de auto-suporte do maciço. Os sistemas de suporte, tanto para obras a céu aberto como subterrâneas, compreendem a utilização de tirantes e chumbadores, concreto projetado e diversos outros métodos, podendo ser aplicados isoladamente ou em associação, na forma de sistemas temporários ou definitivos. Sistemas temporários são utilizados para permitir que a escavação seja feita com segurança ou, para a estabilização de obras transitórias, como galerias de acesso. Sistemas definitivos são empregados para estabilizar a escavação durante toda a sua vida útil. Os sistemas de suporte são largamente utilizados em obras subterrâneas nas quais são geralmente, representados por ancoragens e enfilagens, que são elementos introduzidos no maciço, melhorando suas características de resistência e por concreto projetado e cambotas metálicas, que são elementos aplicados à superfície escavada, restringindo a deformação e a movimentação do maciço. As chamadas obras de contenção a céu aberto tais como os diversos tipos de muros de arrimo (gravidade, concreto armado e cortinas cravadas, inclusive gabiões, crib walls e saco-cimento), as cortinas atirantadas e microestacas e as obras de reforço de aterros, com terra armada e solo reforçado com geotéxtil geralmente utilizados para a estabilização de taludes. • • • •
Ancoragem: As ancoragens constam da introdução de um elemento resistente, em geral uma barra de aço, em perfurações no maciço natural, executadas com equipamentos rotopercussivos a ar comprimido ou hidráulico. A barra de aço pode ser emendada por luvas, para atingir o comprimento desejado ou substituída, em ancoragens provisórias, por barras de fibra de vidro, de manuseio mais fácil. As ancoragens podem ser ativas, sendo chamadas de tirantes, ou passivas, conhecidas como chumbadores. Nos tirantes, a barra é fixada no fim da perfuração, mecanicamente ou com substâncias aderentes. Posteriormente tracionada, introduzindo um esforço compressivo no maciço entre as duas extremidades da barra. Nos chumbadores a barra é introduzida na perfuração e injetada ao longo de toda a sua extensão, ocorrendo o racionamento com os deslocamentos iniciais, de pequena magnitude, do maciço. Nos tirantes, o tracionamento é chamado de protensão, que é obtido pela aplicação de torque numa porca na extremidade da barra, em sua porção rosqueável, externa à perfuração pressionando uma placa de apoio. O sistema mais comum de fixação mecânica dos tirantes consta de uma coquilha, presa à extremidade interna da barra de aço, que é expandida pelo giro da própria barra de aço a partir de sua extremidade externa, fazendo com 51
que a coquilha se prenda na parede da perfuração. A fixação por aderência geralmente é feita pela introdução de uma resina de poliéster, liquida ou pastosa colocada no furo antes da introdução da barra. O giro da barra adere a resina e seu agente endurecedor, provocando sua mistura, seguindo-se seu endurecimento e fixação na parede da perfuração, devido à facilidade e rapidez na instalação, o sistema tem sido bastante utilizado. Os tirantes de coquilha podem ser injetados com calda de cimento, ao longo de todo o espaço anelar, entre o tirante e a parede de perfuração, para melhorar a proteção contra a corrosão. Nos tirantes de resina, empregam-se duas resinas com tempo diferente de endurecimento, uma rápida, na extremidade do tirante para a fixação e uma lenta, ao longo da barra, para proteção contra a corrosão. Os chumbadores em rocha são, geralmente, utilizados em sistemas de suporte temporário e podem ser empregados em sistemas definitivos, desde que, em ambos os casos, sejam permitidas as deformações necessárias para seu funcionamento. Podem ser empregados para a contenção de blocos de rocha ou para o reforço de paredes de escavação, sendo também usados para a fixação de telas metálicas em concreto projetado, para a fixação de dutos e outras estruturas e, em solo, como elementos resistentes.
Figura 34: Desenho esquemático de tirantes
Os tirantes, quando utilizados em sistemas temporários, são geralmente empregados para evitar o desprendimento de blocos de rocha das paredes de escavação, sendo aplicados esporadicamente, em função das condições geológicas locais.
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Figura 35: Desenho esquemático de tirantes
Figura 36: Desenho esquemático da localização de tirantes O número de tirantes (n) é dado por: n=p x f / b Sendo: P = peso da cunha de rocha; f = fator de segurança, normalmente, 2 < f < 5, dependendo do risco envolvido; b = capacidade de carga de cada tirante. Em obras subterrâneas, os tirantes e chumbadores podem ser empregados, juntamente com concreto projetado, para confinar zonas de falha ou zonas cisalhadas. No caso ilustrado, foram empregadas duas camadas de concreto projetado, com tela intermediária e chumbadores aplicados sobre a tela, além de drenos de alívio. Na zona de falha, devido à possibilidade de ocorrência de minerais expansivos, foi prevista a escavação de uma cavidade e seu preenchimento com uma camada de lã de rocha.
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Figura 37 Desenho esquemático e roteiro para instalação de tirantes Esse material, semelhante à lã de vidro, é constituído por fios muito finos de quartzo e feldspato. Produzidos à quente em centrifugas, sendo inerte e deformável. A camada de lã de rocha tem a finalidade de absorver eventuais tensões de expansão, evitando sua aplicação diretamente sobre o concreto projetado. A zona de resistência incrementada funciona como um arco reforçado de rocha. Contendo os deslocamentos e deformações do maciço situado logo acima do túnel. Os tipos de tirantes, diâmetros, comprimentos e os métodos de fixação e proteção são muito variados, de acordo com os fabricantes. Usualmente são empregadas barras de aço comum ou especial, com diâmetros entre 20 e 32 mm, em segmentos de 2,5 a 5 m, atingindo 30 a 40 m de comprimento total e as cargas de trabalho de 150 a 500 kn.
Figura 38: Arco de rocha reforçado por tirantes 54
Concreto Projetado: O concreto projetado é uma mistura pastosa de água, cimento e areia, podendo conter aditivos, projetada como um jato de alta velocidade, por bombas especiais, formando uma camada sobre a superfície a ser tratada. Os primeiros sistemas para aplicação de concreto projetado foram apresentados em 1910 nos Estados Unidos, com a mistura sendo chamada de gunita. Mais tarde o processo de aplicação da mistura foi chamado de shotcrete (1966). Traduzido por concreto projetado o processo foi inicialmente utilizado em galerias de mineração e recuperação de estruturas e na construção de silos e tanques. Na década de 50, o concreto projetado passou a ser utilizado no sistema natm (newaustrian tunneling method) de construção de túneis tornando-se o principal procedimento deste método. O sistema de projeção pode ser por via seca, em que a mistura é bombeada a seco, em fluxo de ar de alta velocidade, recebendo a água apenas no bico de projeção ou alguns metros antes do bico e por via úmida, em que a mistura é bombeada com água, recebendo ar comprimido na saída da bomba ou junto ao bico de projeção. A via úmida permite o melhor controle das características tecnológicas da mistura, reduz a reflexão da mistura na superfície tratada e é menos dependente da habilidade do operador, conhecido como mangoteiro.
Figura 39: Desenho esquemático de aplicação de concreto projetado A via seca permite melhor adaptação às condições do maciço, principalmente quando na presença de água. O concreto projetado deve ser aplicado com a maior pressão possível para assegurar compacidade adequada. Entretanto, em maciços menos resistentes, a pressão deverá ser reduzida, de forma a evitar seu desplacamento. Podem ser usados diversos aditivos, geralmente para acelerar a pega do cimento e para melhorar as características de bombeamento da mistura. Fibras de aço e de polipropileno têm sido usadas para melhorar a resistência á tração do concreto projetado. Mais recentemente, tem sido adotada a incorporação de areia de granulometria muito fina, chamada de microssilica, especialmente para melhorar a aderência do concreto projetado. O concreto projetado é largamente utilizado na construção de túneis em solo e rocha, no qual é aplicado 55
como sistema de suporte temporário e definitivo. Tem sido, cada vez mais aplicado como revestimento, principalmente em túneis escavados em maciços de solo, por razões práticas e econômicas. O dimensionamento da espessura da camada de concreto projetado, seja para suporte temporário ou definitivo e para revestimento, sendo essencialmente empírico. Para solos residuais e rochas sedimentares brandas, a aplicação como suporte temporário, geralmente, consiste numa camada com espessura de até 20 ou 25 cm, com uma tela de aço, de malha quadrada de 10 cm de abertura, intercalada a 5 cm abaixo da superfície. Como revestimento definitivo, adiciona-se uma segunda camada, geralmente idêntica à primeira. A tela pode ser fixada com pinos sobre a primeira camada ou, como chumbadores, sobre o maciço. Em túneis em rocha dura, o concreto projetado, quando utilizado como suporte definitivo, geralmente é aplicado com espessura de 5, 10 ou 15 cm, com ou sem teta metálica, dependendo do grau de fraturamento e da presença de água. Para funcionar como suporte temporário o concreto projetado deve ser aplicado tanto em túneis em solo ou em rocha, no menor intervalo de tempo possível após a escavação do maciço.
Figura 40: Desenho esquemático de concreto projetado em túneis de solo e rocha É muito útil em maciços rochosos estratificados ou foliados, evitando o desplacamento e a queda de blocos usuais nesse tipo de maciços, em função da atitude das descontinuidades. Também pode ser aplicado como revestimento, em túneis para finalidades hidráulicas, reduzindo as irregularidades das paredes do túnel e a perda de carga decorrente de fluxo turbulento.
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Cambotas Metálicas: As cambotas metálicas são utilizadas como sistemas de suporte em túneis, geralmente quando o tempo de auto sustentação é muito reduzido, as cambotas são constituídas por elementos metálicos, construídos em segmentos, aparafusados ou soldados de forma a se amoldarem às paredes de escavação. Geralmente, o formato de um arco, acompanhando a abóboda do túnel e as paredes, apoiando-se no piso do túnel. As cambotas escoram, parcialmente, os empuxos decorrentes das deformações do maciço, transferindo as cargas para o piso do túnel. São utilizadas em travessias de falhas e zonas cisalhadas e em trechos de rocha muito alterada ou de solo, encontrados em túneis em rocha e em túneis em solo. Nos túneis em rocha, as cambotas são, usualmente, apoiadas diretamente no piso do túnel. Em túneis construídos em maciços de solo, os pés das cambotas podem ser apoiados em sapatas de concreto para adequar a distribuição dos esforços à capacidade de carga do solo. Em solos de baixa capacidade de carga, ou quando ocorrem esforços laterais, os pés das cambotas podem ser travados entre si, por meio de segmentos de cambotas instalados sobre o piso ou por uma camada de concreto projetado ou concreto armado. O espaçamento entre cambotas é, em geral, de 1 m, variando de 0,5 a 1,5 m. As cambotas podem ser constituídas por perfis de aço tipo i ou h ou por treliças de barras de aço. Enfilagens: As enfilagens são utilizadas para o reforço de maciços de solo, acima da abóboda de túneis, de forma a possibilitar sua escavação. São instaladas a partir da frente do túnel para a escavação do trecho seguinte, sendo aplicadas em solos de baixa resistência. As enfilagens podem ser constituídas por perfis metálicos de aço, cravados no solo ou por perfis e tubos de aço, introduzidos no solo através de perfurações e submetidos a injeção de calda de cimento. Enfilagens cravadas: são de execução muito simples, introduzidas com auxílio de marteletes pneumáticos, aplicadas em túneis de até 3 m de diâmetro. Podem ser constituídas por barras de aço, em geral com cerca de 3 m de comprimento ou com chapas de aço, cravadas lado a lado, com comprimento entre 2 e 3 m. Enfilagens injetadas: podem ser tubulares ou de bulbo contínuo. São introduzidas no maciço através de perfurações, sendo aplicadas em túneis de diâmetros maiores, podendo alcançar de 10 a 20 m adiante da frente de escavação. Enfilagem tubular: consta de um tubo de aço introduzido na perfuração, através do qual é feita a injeção de cimento por meio de válvulas manchete ou pela extremidade do tubo. Bulbo contínuo: a calda de cimento é injetada na perfuração, de dentro para fora, introduzindo-se a barra ou tubo de aço após completada a injeção. A enfilagem de bulbo contínuo é instalada mais rapidamente e permite um melhor controle da calda do que a enfilagem tubular. Agulhamento: utilizado para a estabilização transitória, para fins de escavação, da frente de túneis em solo. O agulhamento consta da instalação de tubos de pvc rígido, de até 100 mm de diâmetro e com comprimento de até 15 m, injetados com calda de cimento, introduzido em perfurações horizontais feitas na frente de escavação proporcionando o reforço da frente com o avanço da escavação e o agulhamento é destruído e refeito para o próximo avanço do túnel.
Figura 41: Desenho esquemático enfilagem tubular injetada 57
Esteios: Os esteios também denominados pontaletes ou escoras, são peças alongadas, ou seja, de pequena seção transversal, comparada ao seu comprimento, e que são instalados de forma a que sejam solicitadas unicamente a compressão axial. São empregados para a proteção das zonas de trabalho nos alargamentos realizados segundo qualquer dos princípios de lavra. Podem ser de madeiras ou metálicos, quando utilizados isoladamente constituem a forma mais simples de escoramento, entretanto, a sustentação proporcionada pelos esteios e normalmente completada com a instalação de peças adicionais, de madeira ou metálica entre a cabeça do esteio e o teto da escavação. Os esteios podem ser de madeira (resistência e deformabilidade; curva característica); esteios metálicos de atrito e esteios hidráulicos. Pilhas: Tal como os esteios, as pilhas também são colunas que se apertam contra as superfícies, diferindo dos esteios apenas por apresentarem maiores seções, sendo assim destinadas ao suporte de maiores cargas. São empregadas nos painéis de lavra, qualquer que seja o método adotado (abatimento do teto, enchimento, abandono de pilares), e de modo geral, nas aberturas mais amplas, em áreas onde desenvolvem várias pressões, em escavações horizontais ou inclinadas, podendo-se considerar que tais estruturas exercem funções análogas às dos pilares de rocha. Tipos: • Bateria de esteios, • Fogueiras ou gaiolas; • Pilares artificiais, • Pilhas hidráulicas Nos métodos de lavra onde se deseja o abatimento do teto, é necessária a formação de uma linha de desabamento. Estas linhas são conseguidas através do emprego de estruturas de sustentação bem mais resistentes que os esteios colocados isoladamente, ou seja, estas estruturas devem proporcionar uma reação elevada e uniforme ao teto. A estas se dá o nome de pilha. São também usadas nos métodos de lavra que deixam aberturas amplas e em áreas onde se desenvolvem fortes pressões, atuando assim como verdadeiros pilares. Silveira (1987) descreve as baterias de esteios, as fogueiras, os pilares artificiais e os suportes hidráulicos auto-marchantes. Vantagens - pequena convergência, possibilitam alta produção, segurança na frente de trabalho, alt a eficiência; Desvantagens - altos custos de investimento e de manutenção, necessidade de mão-de-obra qualificada, admitem pequenas variações na espessura da camada lavrada. Quadros e Arcos: Quadros ou jogos são pórticos constituídos de elementos retilíneos que se instalam nas seções das escavações com desenvolvimento lineares (poços verticais ou inclinados e galerias). Os arcos são pórticos constituídos de elementos curvos (não necessariamente circulares) ou de elementos curvos montados sobre montantes retilíneos. Os arcos apresentam, em relação aos quadros, a vantagem de distribuir de maneira mais favorável as pressões que atuam sobre a estrutura, resultando uma predominância de esforços de compressão, aos quais ela resiste melhor aos de flexão. O arco circular fechado resiste quinze vezes mais que o quadro trapezoidal, podem ser construídos com trilhos ou perfis metálicos ou de concreto. Tipos: • Arcos metálicos • Arcos articulados • Arcos deslizantes. Nos trabalhos subterrâneos com desenvolvimento linear (poços, galerias, rampas), a sustentação provisória descontínua é proporcionada, além dos esteios e pilhas, por quadros e arcos, que são instalados, via de regra, com seus planos situados normalmente ao eixo da escavação. Concepção dos suportes na mineração subterrânea: A afeição geométrica e adequação de suportes para aplicação em mineração subterrânea é um trabalho muito importante, pois visa conferir segurança e economicidade a uma escavação hipotética. Recentemente, um trabalho desse cunho foi desenvolvido no Canadá. Um ponto importante desse projeto, é que foi feita uma revisão geral dos tipos de suporte existentes e procurou-se através do uso de programas computacionais específicos (dips, unwedge e phasis), obter com o Maximo de realidade, as condições 58
mecânicas e estruturais que existem em um maciço em estudo. Todo o aparato computacional adéqua, agiliza e trabalha com a margem de segurança previa para as mais diversas condições, promovendo dessa maneira uma otimização das operações de suporte em minas subterrâneas.
Escolha do tipo de suporte: A sustentação de aberturas subterrâneas geralmente combina os efeitos dos suportes ativos, como as cavilhas, parafusos ancorados mecanicamente e cabos com os suportes passivos, como concreto projetado, telas e malhas de aço que suportam cargas de blocos de rochas isoladas de descontinuidades estruturais ou zonas de rocha fraturada. A escolha do tipo de suporte a ser instalado em uma determinada escavação subterrânea depende da extensão sobre a zona fraturada (aliviada) em torno da escavação e das condições gerais do maciço. Abaixo, um guia bem simples para seleção dos tipos de suportes. Condições da rocha Rocha sã com paredes lisas, geradas por boa detonação. Baixa tensão in situ.. Rocha sã ,com pouca interseção de juntas ou camadas planas resultando em queda de blocos. Baixa tensão in situ.. Rocha sã, com danos causados pela detonação, com um pouco de interseção entre planos de fraqueza, formando blocos e cunhas. Baixa tensão in situ.. Rochas em blocos encerrados por juntas, com pequenos blocos pendendo da superfície causando deterioração, se insuportáveis. Condição de tensão baixa. Falhas nas juntas da rocha, pela tensão induzida. Primeiras indicações de falhas provocadas pela alta tensão são notadas em paredes perfuradas e em esquinas de pilares.
Pontos de contração desenvolvidos em rocha boa, mas sujeitos a altas tensões e desgaste durante detonações.
Tipo de suporte sugerido Não é preciso suporte; onde for requerida maior segurança ,usar tela de aço para prevenção de queda de pequenos blocos. Parafusos ancorados mecanicamente para prender blocos junto à rocha vizinha. Telas soldadas, mantidas tensionadas por parafusos ancorados mecanicamente, para prevenir queda de rocha aliviada. Camada de concreto projetado com aproximadamente 50 mm de espessura. Adição de micro-sílica e fibras de aço reduzem a reflexão e aumentam a força do concreto projetado em curva. Se não for viável o concreto projetado, usar telas e split sets ou swellex. O padrão de suporte é cavilha cimentada ou swellex. Split sets são adequados para suportar pequenas quantidades em risco. Cabos antitensionáveis podem ser usados, mas parafusos ancorados mecanicamente são menos adequados para esta aplicação. O comprimento típico do reforço poderia ser metade da extensão de aberturas com pouco menos de 6 m, e entre ½ e 1/3 da extensão para aberturas de 6 a 12 m. Espaçamento: metade do comprimento da cavilha. Os suportes poderiam ser instalados antes de ocorrerem movimentos significativos. Usar parafuso ancorado com cimento (“grouted rebar”) para resistir à deterioração e para suporte dos cumes dos pontos de contração. Instale este reforço durante o desenvolvimento do avanço do desgaste e dos pontos de contração. Não usar concreto projetado ou telas em pontos de contração.
Rochas de qualidade muito baixa, com falhas e Concreto projetado reforçado com fibras pode ser usado para zonas de cisalhamento (parafusos ou cavilhas não sustentação permanente sob baixas condições de tensão ou para podem ser ancorados neste material). sustentação temporária e em conjunto com quadros metálicos, usados em escavações permanentes. Tabela 10: Sugestão do tipo de suporte para várias condições da rocha.
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