Licenciatura em Geologia Aplicada e do Ambiente - 2005/2006
INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Fernando M. S. F. Marques *
* Departamento de Geologia, Faculdade de Ciências de Lisboa
INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS INTRODUÇ
DEFINIÇ DEFINIÇÕES PRÉ PRÉVIAS: -
SOLO – SOLO – Material natural desagregá desagregável por imersão em água
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ROCHA - Material natural não desagregá desagregável por imersão em água (Conceito substancialmente diferente do considerado na Geologia)
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Descontinuidades – Descontinuidades – interrupç interrupções do contí contínuo de uma dada rocha, sem implicaç implicações gené genéticas: podem ser fracturas resultantes de esfor ços tectó tectónicos em compressão, corte (cisalhamento (cisalhamento), cisalhamento), tracç tracção, fracturas de descompressão, juntas de estratificaç estratificação, planos de xistosidade ou de clivagem xistenta, xistenta, que impliquem quebra das propriedades mecânicas dos blocos de rocha adjacentes. adjacentes.
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Compartimentaç Compartimentação - Divisão do contí contínuo rochoso de um maciç maciço por descontinuidades.
Mecânica das Rochas Trata a resposta das rochas e dos maciç maciços rochosos à aplicaç aplicação de perturbaç perturbações No caso das perturbaç deformação das perturbações naturais, a Mecânica das Rochas é aplicada à deformaç rochas, no contexto da Geologia Estrutural: -Estudo
de Falhas, dobras e fracturas, causadas por por tensões geradas geradas por movimentos orogé orogénicos e outros processos geoló geológicos (subsidência (subsidência;; diagé diagénese; nese; rifting; rifting; descompressão por exumaç exumação). Ou, no contexto da Geologia de Engenharia: -À
aná análise da estabilidade de vertentes para estudos de perigosidade, ou previsão de impactes sobre obras: Resposta dos maciç maciços aos agentes da geodinâmica externa (chuvas; inundaç inundações; posiç posição do ní nível piezomé piezométrico das águas subterrâneas; impactos de ondas; erosão de sopé sopé) e à degradaç degradação da resistência dos maciç maciços (fluência; cedência progressiva; erosão interna; dissoluç dissolução; meteorizaç meteorização) ão)
No caso das perturbaç perturbações causadas pelo homem, a Mecânica das Rochas é aplicada para prever o comportamento dos maciç maciços face às solicitaç solicitações que lhe vão ser impostas, por: -Escavaç Escavações
a cé céu aberto - taludes em obras lineares; minas a cé céu aberto; taludes de barragens e albufeiras (encontros; margens) -Escavaç Escavações
e obras subterrâneas - actividade mineira; tú túneis rodoviá rodoviários e ferroviá ferroviários; cavidades subterrâneas para armazenamento (combustí (combustíveis; resí resíduos); órgãos subterrâneos de barragens (galerias de desvio; centrais hidroelé é ctricas); centrais nucleares; instalaç hidroel instalações militares;
Algarve: Praia de Porto de Mó Mós (1993) Cretá Cretácico inferior – inferior – Aptiano Margas e calcá calcários de Porto de Mó Mós
100m
Alternância de camadas com grande contraste de resistência – calcários margosos e margas - Relaxação de tensões por exumação - Margas desagregam-se com os ciclos de secagem-molhagem - Cedência das margas aproveita fracturas pré-existentes nas camadas de calcário - Erosão marinha de sopé remove detritos e contribui para aumento do declive -
Samouqueira, Samouqueira, Rogil (Aljezur) Carbó Carbónico, Namuriano médiodio-Vestefaliano inferior Formaç Formação da Brejeira
Alternância de camadas com grande contraste de resistência – grauvaques e xistos argilosos - Relaxação de tensões por exumação - Xistos desagregam-se com os ciclos de secagem-molhagem - Cedência dos xistos aproveita fracturas pré-existentes nas camadas de grauvaque -Erosão marinha de sopé remove detritos e contribui para aumento do declive -
Samouqueira, Samouqueira, Rogil (Aljezur)
So
- Fluência lenta dos xistos (relaxação de tensões existentes no interior do maciço por exumação – remoção do confinamento lateral da escarpa pela evolução natural da arriba) e basculamento em direcção ao exterior do talude (tombamento ou “toppling”). - Abertura de fendas de tracção junto ao topo da escarpa aproveitando descontinuidade s pré-existentes: Fracturas e juntas de estratificação
Barragem do Funcho (Silves)
Carbó Carbónico, Namuriano médiodio-Vestefaliano inferior Formaç Formação da Brejeira Instabilidades (desabamentos) no acesso à barragem. Notar a inclinação natural das vertentes, que sugere um perfil transversal de equilíbrio natural.
Barragem de Odeleite - Carbó Carbónico, Viseano - Formaç Formação da Mé Mértola
So
Vista da vertente instável, com deslizamento planar ao longo das superfícies de estratificação. Esta instabilidade motivou extensas obras de estabilização ao longo da encosta (pregagens) e a construção de muro de suporte em betão armado com espessura da ordem de 6m, para assegura a estabilidade da central de bombagem que abastece de água o Algarve ocidental.
Orientaç Orientação das escavaç escavações subterrâneas em relaç relação a uma falha (plano a vermelho) em arenitos. Central subterrânea e sala dos transformadores do projecto Mingtan (Formosa) (Segundo Hoek, Hoek, 2000) Problemas: identificação, análise e representação tridimensional de z onas de baixa resistência (camadas, falhas, filões alterados) e da compartimentação do ma ciço rochoso.
Instabilidades controladas pela compartimentaç compartimentação do maciç maciço (Hoek (Hoek,, 2000) - Orientaç Orientação e espaç espaçamento de descontinuidades (fracturas e/ou juntas de estratificaç estratificação)
Projecto de Rio Grande, Argentina Escavaç Escavação dos ní níveis inferiores da caverna da central, com largura de 25m (Hoek, Hoek, 2000)
Cunhas de rocha definidas no maciç maciço rochoso envolvente da caverna da central de Rio Grande
Resultado de uma rotura explosiva (“ (“rockburst” rockburst”) numa mina em rochas com comportamento fr ágil, sujeita a tensões in situ situ muito elevadas (Segundo Hoek, Hoek, 2000)
Fracturaç Fracturação em discos de uma amostra de sondagem, causada pela relaxaç relaxação de tensões “in situ” situ” muito elevadas (Hoek (Hoek,, 2000)
ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHAS BRANDAS
Perfil deformado
Perfil vertical de um modelo tridimensional de elementos finitos da deformação e rotura do maciço em torno da escavação. As setas indicam vectores de deslocamento e a deformada da escavação.
ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHAS BRANDAS
Deformação da frente do túnel
Avanço do túnel
Deslocamento radial atinge valor máximo a cerca de 1,5x o diâmetro da frente do túnel
Deslocamento radial atinge 1/3 do valor final na frente do túnel Deslocamento radial inicia-se para além da frente do túnel, a cerca de 0,5x o diâmetro
Padrão de deformação de um túnel em escavação
PROBLEMAS FUNDAMENTAIS EM MECÂNICA DAS ROCHAS - Contraste de comportamento mecânico entre o material rocha e os maciços rochosos: - Papel fundamental das descontinuidades - Presença de zonas de baixa resistência no maciço - Alteração/degradação rápida de alguns tipos litológicos - Tensões existentes nos maciços e sua relaxação
Domí Domínios de aplicaç aplicação da Mecânica das Rochas - Aná Análise da estabilidade de vertentes (naturais): determinaç determinação da perigosidade (hazard (hazard)) em estudos de risco, incluindo risco sí sísmico; aná análise e projecto de medidas de prevenç prevenção contra quedas de blocos Aná Análise da estabilidade de taludes (artificiais): projecto de escava escavação e selecç selecção de mé métodos mais adequados (seguros e econó económicos) de escavaç escavação; dimensionamento de suportes provisó provisórios e/ou definitivos -
Fundaç Fundações em maciç maciços rochosos (pontes, viadutos, edif ícios de grande altura): caracterizaç caracterização dos maciç maciços e dimensionamento de medidas contra o escorregamento de blocos -
Barragens (de aterro, enrocamento, enrocamento, gravidade e arco), órgãos e estruturas associadas (ensecadeiras (ensecadeiras,, tú túneis de desvio, condutas for çadas, centrais hidroelé hidroeléctricas subterrâneas) – subterrâneas) – Problemas de selecç selecção de sí sítios, fundaç fundações, estabilidade e sustentaç sustentação de escavaç escavações, estabilidade das margens da albufeira, impermeabilizaç impermeabilização do maciç maciço -
Túneis (rodoviá (rodoviários e ferroviá ferroviários): escolha de traç traçado (localizaç (localização e orientaç orientação), dimensionamento da forma e vãos, mé métodos de perfuraç perfuração e sustentaç sustentação -
Cavidades subterrâneas para instalaç instalações industriais – industriais – selecç selecção de sí sítios, projecto e selecç selecção de mé métodos de escavaç ç ão, aná á lise de estabilidade e dimensionamento das cavidades e sua sustenta ntaç ç ão escava an suste -
- Cavidades subterrâneas para armazenamento de resí resíduos ( em especial de centrais nucleares) – nucleares) – selecç selecção de sítios, projecto e selecç selecção de mé métodos de escavaç escavação, aná análise de estabilidade e dimensionamento das cavidades, problemas de dissipaç dissipação de calor e estabilidade a longo prazo, circulaç circulação de água e permeabilidade do maciç maciço
Áreas afins à Mecânica das Rochas - Geologia Estrutural - Mecânica dos Solos - Geologia de Engenharia - Geof ísica - Engenharia Civil - Engenharia de Minas
ORIGEM E EVOLUÇ EVOLUÇÃO DA MECÂNICA DAS ROCHAS - O estudo da Mecânica das Rochas iniciou-se nos anos 50, com fundamentos essencialmente físicos (impulsionado pela construção de grandes aproveitamentos hidroeléctricos e pelo desenvolvimento da exploração mineira a grandes profundidades) - Autonomizou-se como disciplina científica nos anos 60 - Em 1963 foi fundada a Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM)
- Anos 60: ênfase nos estudos sobre o material rocha - Anos 70: predomínio dos estudos sobre descontinuidades e caracterização de maciços rochosos - Anos 80: Análise numérica - Anos 90: propriedades dos materiais, ensaios em escala real, popularização dos meios informáticos, melhoria da aplicação dos princípios aos casos de obra
ORIGEM E EVOLUÇ EVOLUÇÃO DA MECÂNICA DAS ROCHAS ESTUDOS PRECURSORES 1776 - Coulomb 1884 - Canal do Panamá (1908 - USACE) 1936 - Karl Terzaghi 1920 - 1958 - Josef Stini 1921 - Griffith (teoria de rotura de materiais) 1931 - Bucky (centrífuga para estudo de roturas em minas) DISCIPLINAS ENVOLVIDAS - Mecânica dos meios contínuos - Fotoelasticidade - Geologia estrutural
