Introdução à descrição e classificação das rochas

Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento de Engenharia Civil
DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
CAPITULO 3 – INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DAS
ROCHAS
Prof. Carlos Nunes da Costa
2006/2007
FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
ÍNDICE
1. DEFINIÇÕES....................................................................................................................... 2
2. CONCEITO DE “FRONTEIRA” ENTRE SOLOS E ROCHAS ........................................... 3
3. CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS......................................................................................... 4
3.1 Classificação geológica-litológica .................................................................................. 4
3.2 Conceito de maciço rochoso.......................................................................................... 6
3.3 Descrição e classificação de maciços rochosos ............................................................ 7
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO .............................................................................................. 12
FONTES DE INFORMAÇÃO E MAIS LEITURAS EM: ........................................................ 15
III-1
FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
SUMÁRIO
Introdução à descrição e classificação de terrenos. Definições. Conceito de “fronteira” entre solos e
rochas. Materiais de transição: solos duros e rochas brandas. Rochas de baixa resistência.
Classificação de rochas. Classificação geológica-litológica. Conceito de maciço rochoso. Materialrocha e descontinuidades. Superfícies de fraqueza. Anisotropia e heterogeneidade. Classificação de
maciços rochosos. Descrição Geotécnica Básica (BGD). Classificações quanto ao estado de
fracturação, à espessura das camadas, à resistência à compressão uniaxial e ao ângulo de atrito das
descontinuidades. Propriedades-índice das rochas: porosidade, peso específico, resistência à
compressão uniaxial, durabilidade. Índices de qualidade do maciço rochoso: percentagem de
recuperação, RQD (Rock Quality Designation), velocidade de propagação das ondas elásticas
longitudinais. Exemplos de aplicação.
1. DEFINIÇÕES
Os terrenos foram já anteriormente definidos como sendo “os materiais naturais que
englobam os solos e as rochas” (LNEC, 1962). Importa pois fazer agora a distinção entre
estes dois tipos de materiais.
Segundo Vallejo (2002) “rochas são agregados naturais duros e compactos de partículas
minerais com fortes uniões coesivas permanentes que habitualmente se consideram um
sistema contínuo.” A proporção dos diferentes minerais, a estrutura granular, a textura e a
origem da rocha, características intrinsecamente geológicas, servem também para a sua
classificação em termos de engenharia.
Por sua vez “solos são agregados naturais de grãos minerais unidos por forças de contacto
normais e tangenciais às superfícies das partículas adjacentes, separáveis por meios
mecânicos de pouca energia” (e que convencional e tradicionalmente se designa por
“agitação em água”).
Os solos originam-se normalmente por processos de alteração1 e desagregação das rochas,
sejam elas sedimentares, ígneas ou metamórficas, nomeadamente quando se encontram
sujeitas aos agentes meteóricos. Determinados minerais são mais susceptíveis à alteração
química por estarem em menor equilíbrio com o meio atmosférico. Apresenta-se
seguidamente uma lista dos minerais por ordem de menor para maior estabilidade: olivina,
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Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
feldspato de cálcio, piroxena, anfíbola, feldspato de sódio, biotite, feldspato de potássio,
moscovite, quartzo. O quartzo é o mineral que se forma a temperaturas mais próximas das
da superfície terrestre (cerca de 300ºC) por isso é o mais estável nessas condições
ambientais.
Formam-se solos residuais2 quando os produtos da decomposição permanecem in situ:
caso contrário são transportados, podendo sofrer todo o ciclo do processo sedimentar até à
diagénese, voltando a transformar-se em rocha (sedimentar).
Modernamente devem ainda ser considerados os solos antrópicos, solos não naturais,
provenientes da actividade humana, de composição heterogénea, e por isso difíceis de
caracterizar. Eles formam grande parte do subsolo das grandes cidades (em aterros,
demolições).Só na Europa são produzidos 300 milhões ton/ano de resíduos da construção e
demolição, estimando-se um bilião de toneladas/ano em todo o mundo. Quanto aos
resíduos sólidos urbanos, só em Portugalproduzem-se cerca de 4,5 milhões ton/ano,
correspondendo a uma capitação superior a 1kg/pessoa/dia.
Os solos são uma entidade extremamente importante no contexto da engenharia:
extremamente úteis enquanto materiais de construção, problemáticos em muitos casos
devido ao seu comportamento deficiente face às mais variadas solicitações.
2. CONCEITO DE “FRONTEIRA” ENTRE SOLOS E ROCHAS
Como se depreende do atrás exposto, existe uma apreciável “zona de sombra ”onde caem
os chamados “terrenos de transição”. Nesta zona de transição estariam os denominados
solos duros e rochas brandas. Um critério bastante usado para o estabelecimento dos
limites entre solos e rocha é o valor de resistência à compressão uniaxial3. Esses valores
têm vindo a descer até 1,25 MPa, à medida que a investigação em rochas extremamente
brandas tem vindo a desenvolver-se (Vallejo, 2002).
Estes terrenos foram anteriormente classificados por M. Rocha (1977) como “materiais de
baixa resistência” ou “rochas de baixa resistência” e ocupam para um conjunto de
propriedades mecânicas uma posição intermédia entre os solos e as rochas, como se pode
depreender da Tabela seguinte (adaptado de Rocha, 1977).
1
A alteração é o mais poderoso dos processos tempo-dependentes a actuar sobre os maciços
rochosos, razão porque se dará um destaque particular a esta matéria mais adiante.
2
Em muitos casos é difícil de traçar o limite entre estes e a rocha-mãe.
3
Máximo esforço que suporta um provete normalizado antes de romper ao ser carregado axialmente
em laboratório
III-3
FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
Tabela 1 – Algumas propriedades mecânicas de rochas, solos e rochas de baixa resistência
(adapt. Rocha, 1977)
Parâmetros
Solos
Rochas
Módulo de Deformabilidade (MPa)
Resistência à Compressão Uniaxial (MPa)
Coesão (MPa)
Ângulo de atrito
<50
<2
<0.25
<40º
4x102 a 105
2 a 3x102
0.4 a 3x102
<65º
Rochas de baixa
resistência
4x102 a 4x103
2 a 20
0.4 a 50
<45º
Em obediência à sequência genética dos terrenos, abordar-se-á, em primeiro lugar, a
temática da classificação das rochas, deixando-se para depois a classificação dos solos.
Muitos dos conceitos apresentados em seguida sê-lo-ão agora de forma sumária para, em
lições posteriores, serem retomados e desenvolvidos.
3. CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
3.1 Classificação geológica-litológica
Quando se pretende fazer o estudo dos terrenos interessados num problema de Engenharia
é normal iniciá-lo pela sua classificação geológica, ou litológica. Estas classificações, que
aportam informação sobre a composição mineralógica, a textura e o fabric das rochas e a
predominância de certos minerais nas respectivas formações geológicas são importantes
em virtude da sua informação implícita. R. Oliveira (1981) cita o caso dos calcários, em que
a simples designação alerta para a possibilidade de ocorrência de fenómenos de dissolução,
responsáveis por eventuais cavidades propiciadoras de instabilidade por subsidência para
as mais variadas obras de engenharia.
Na disciplina de Geologia estas classificações foram exaustivamente estudadas pelo que
não se justifica grande detalhe no presente documento. Apresenta-se na Tabela 2, a título
meramente ilustrativo, uma classificação geológica de rochas quanto à sua origem, com
referência a alguns exemplos de rochas mais vulgares.
Tabela 2 – Classificação geológica (adaptado e modificado de Vallejo, 2002)
Sedimentares
Ígneas
Metamórficas
Detríticas
Químicas
Orgânicas
Plutónicas
Vulcânicas
Massivas
Foliadas
Quartzito, arenito, siltito, argilito
Calcário, dolomito, salgema
Carvão, turfa, calcário
Granito, gabro, diorito, peridotito
Basalto, andesito, riolito
Quartzito, mármore, corneana
Xisto, gneisse, filito, micaxisto
Como se pode observar alguns termos ocorrem classificados duplamente (ex: calcário pode
ser rocha sedimentar química ou orgânica; quartzito pode ser rocha sedimentar ou
metamórfica). Por outro lado, algumas rochas, como as margas, sendo intrinsecamente a
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
combinação de minerais geneticamente distintos (neste caso, minerais das argilas e
carbonato de cálcio - calcite) são “meio detríticas-meio químicas”. Finalmente poderá dizerse que, em alguns casos, existem termos de transição que atravessam várias classes: é o
caso do argilito xistoso (rocha sedimentar) / xisto argiloso (rocha metamórfica).
Existem ainda alguns tipos especiais de rochas sedimentares que merecem ser referidos: é
o caso das rochas residuais, em particular as que se formam em climas tropicais, como a
bauxite e a laterite, que apresentam propriedades específicas importantes, não só do ponto
de vista económico como geotécnico.
Refira-se ainda que as rochas sedimentares detríticas são classificadas essencialmente em
função da dimensão das partículas (composição granulométrica) o que as aproxima
decisivamente, em termos de classificação, dos solos que resultam da sua desagregação.
Assim, um conglomerado e um arenito, ao desagregarem-se darão lugar respectivamente a
um solo com seixo/calhau e areia, assim como um siltito e um argilito são respectivamente
agregados de partículas de silte e argila, ainda que neste último caso seja muito mais do
que a simples agregação física-mecânica de partículas4.
Finalmente retira-se da Tabela 2 que as rochas ígneas são grandes fornecedoras de
materiais de construção, bem como as rochas metamórficas não foliadas (massivas). Já as
rochas sedimentares são menos interessantes, excepção feita aos quartzitos, calcários e
dolomitos. Contudo os minerais das rochas ígneas e metamórficas ditos primários são muito
susceptíveis à alteração, dando origem a novos minerais, designados de secundários, e a
substâncias solúveis, conforme se indica na tabela 3.
Tabela 3 – Produtos da decomposição dos minerais primários
(adaptado de Leet, 1965 in Rocha, 1981)
Mineral
Composição
Quartzo (qz.)
SiO2
Qz. em grãos
Sílica em solução
Sílica em solução
Carbonato K
(solúvel)
Sílica em solução
Carbonato K e
Ca (solúveis)
Felsdpato K
Ortose
((Si3,Al)O8)K
Minerais de
argila e qz.
fina/dividido (1)
Plagioclases
Albite
Anortite
((Si3,Al)O8)Na
((Si3,Al)O8)Ca
Idem a (1) +
Calcite
Biotite
Augite
Horneblenda
Aluminosilicatos de
Fe, Mg, Ca
Olivina
(SiO4)(Fe,
Mg)
Ferromagnesianos
4
Produtos de decomposição
Minerais
Outros
Idem a (1) +
Calcite,
Limonite,
Hematite
Limonite,
Hematite e qz.
fina/ dividido
Sílica em solução
Carbonato Ca e
Mg (solúveis)
Sílica em solução
Carbonato Fe e
Mg (solúveis)
Pela sua importância e especificidade as argilas terão um tratamento particular nesta disciplina.
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
3.2 Conceito de maciço rochoso
Em Geotecnia o estudo das rochas (realizado no âmbito da Geologia), dá lugar ao estudo
dos maciços rochosos. Com efeito a Mecânica das Rochas, disciplina da Geotecnia, tem
como finalidade conhecer e prever o comportamento dos maciços rochosos face à actuação
das solicitações (internas e externas) que sobre eles se exercem.
Um maciço rochoso pode ser concebido como uma entidade constituída por duas parcelas:
ƒ
um meio sólido – o “material-rocha” ou, se se quiser, a “matriz rochosa”
ƒ
as descontinuidades que o compartimentam.
Estas descontinuidades funcionam, portanto, como superfícies de fraqueza que separam
blocos de “rocha intacta” e controlam os processos de deformação e rotura dos maciços
rochosos a cotas superficiais, que são as que interessam a grande maioria das obras de
engenharia. São também elas que permitem a extracção dos materiais rochosos nas
pedreiras onde, naturalmente, se aproveitam as superfícies de fraqueza para obter o
desmonte primário das massas exploráveis.
Ao definir-se maciço rochoso como uma entidade composta por duas parcelas – o “materialrocha”, por oposição às descontinuidades que o compartimentam, é-se levado a pensar,
intuitivamente, que o “material-rocha” é um meio sólido contínuo, homogéneo, isótropo e
elástico, condições que raramente correspondem às características reais dos materiais
rochosos5.
Deduz-se portanto que, para o estudo do comportamento mecânico de um maciço rochoso
devem analisar-se as propriedades, tanto da “matriz rochosa” como das descontinuidades.
Porém, para maciços de qualidade média a elevada as descontinuidades são o aspecto
fundamental a ter em conta no comportamento mecânico do maciço e daí a importância que
se lhes atribui na análise das características geomecânicas dos maciços rochosos por via
semi-empírica (Barton et al, 1974; Rocha 1976; Bieniawski, 1979).
Esta estrutura “em blocos” confere uma natureza descontínua aos maciços rochosos. Por
outro lado a presença de descontinuidades sistemáticas com determinada orientação, como
os planos de estratificação, ou superfícies de laminação, implica um comportamento
5
Com efeito, Griffith (in Mello Mendes, 1967), ao partir da necessidade de explicar o facto de que as
resistências determinadas na prática para materiais frágeis são muito mais baixas do que as
calculadas por via teórica, considera que o “material-rocha”, longe de ser um meio contínuo,
homogéneo e isótropo, contem sempre micro-descontinuidades, fissuras e poros, a partir dos quais
se pode iniciar a rotura.
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Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
anisótropo6: esta situação é particularmente evidente na avaliação da deformabilidade em
maciços xistosos, em que os valores variam drasticamente para as direcções paralela e
perpendicular à orientação dos planos de xistosidade.
Outra característica importante é a heterogeneidade ou variabilidade das propriedades
físicas e mecânicas em zonas distintas do maciço rochoso (ou mesmo de ponto para ponto).
Os factores associados à heterogeneidade de um corpo rochoso e a sua variação traduzemse, na prática, pela dispersão dos resultados, para cada propriedade determinada em
ensaios conduzidos no corpo considerado (Charrua Graça, 1984).
3.3 Descrição e classificação de maciços rochosos
As características de qualidade dos maciços rochosos podem ser descritas de forma
simples através de classificações baseadas em métodos expeditos de observação.
Um dos parâmetros mais fáceis de descrever, mas também dos mais importantes, é o
estado de alteração de um maciço rochoso, da forma como se apresenta na Tabela
seguinte:
Tabela 4 - Estado de alteração do maciço rochoso
Símbolos
Designações
W1
Sã
W2
Pouco alterada
W3
Medianamente alterada
W4
Muito alterada
W5
Decomposta
Características
A rocha não apresenta quaisquer sinais de alteração
Sinais de alteração apenas nos planos e bordos das
descontinuidades
Alteração visível em todo o maciço rochoso (mudança de
cor) mas a rocha não é friável7
Alteração visível em todo o maciço e a rocha é
parcialmente friável
O maciço apresenta-se completamente friável
(comportamento de solo)
Nota: na versão simplificada ter-se-á:
W1-2 – Sã a pouco alterada; W3 – medianamente alterada; W4-5 – muito alterada a decomposta.
Outros parâmetros de simples observação podem ser usados para a classificação expedita
dos maciços rochosos. A Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (SIMR) propôs
em 1981 a Descrição Geotécnica Básica (Basic Geotechnical Description – BGD) composta
pelas seguintes classificações:
¾ classificação quanto ao estado de fracturação (F), ou de afastamento (ou
espaçamento) entre fracturas;
¾ classificação quanto à espessura das camadas (L)8;
6
7
Ou seja, as propriedades (mecânicas e outras) variam segundo a direcção considerada.
Não se desagrega em contacto com a água
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
¾ classificação quanto à resistência à compressão uniaxial (S)9
¾ classificação quanto ao ângulo de atrito das descontinuidades (A)
Estas quatro classificações, em conjunto com a do estado de alteração (W)10, serão
suficientes para descrever sucintamente a qualidade de um maciço rochoso na maior parte
dos problemas que interessam à engenharia. Nas tabelas seguintes apresentam-se as
classificações referidas:
Tabela 5 - Estado de fracturação do maciço rochoso
Símbolos
Intervalos de
afastamento (cm)
Afastamento das
fracturas
Estado de fracturação
do maciço
F1
F2
F3
F4
F5
>200
60 a 200
20 a 60
6 a 20
<6
Muito afastadas
Afastadas
Medianamente afastadas
Próximas
Muito próximas
Muito pouco fracturado
Pouco fracturado
Medianamente fracturado
Muito fracturado
Fragmentado
Nota: na versão simplificada ter-se-á:
F1-2 – Muito pouco fracturado a pouco fracturado; F3 – medianamente fracturado; F4-5 – muito fracturado a
fragmentado.
Tabela 6 - Espessura das camadas (L)
Símbolos
L1
L2
L3
L4
L5
Intervalos (cm)
>200
60 a 200
20 a 60
6 a 20
<6
Designações
Muito espessas
Espessas
Medianamente espessas
Delgadas
Muito delgadas
Nota: na versão simplificada ter-se-á:
L1-2 – Muito espessas a espessas; L3 – medianamente espessas; L4-5 – delgadas a muito delgadas.
Tabela 7 - Resistência à compressão uniaxial (S)
Símbolos
S1
S2
S3
S4
S5
Intervalos (MPa)
>200
60 a 200
20 a 60
6 a 20
<6
Designações
Muito elevada
Elevada
Média
Baixa
Muito baixa
Nota: na versão simplificada ter-se-á:
S1-2 – Muito elevada a elevada; S3 – média; S4-5 – baixa a muito baixa.
Tabela 8 – Ângulo de atrito das descontinuidades (A)
Símbolos
A1
A2
A3
A4
A5
Intervalos
>45º
40º a 45º
35ºa 40º
30º a 35º
<30º
Designações
Muito elevado
Elevado
Médio
Baixo
Muito baixo
Nota: na versão simplificada ter-se-á:
A1-2 – Muito elevado a elevado; A3 – médio; A4-5 – baixo a muito baixo.
8
Do inglês: layer
Do inglês: strength
10
Do inglês: weathering
9
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
Note-se que a resistência à compressão uniaxial é já um parâmetro que descreve uma
característica mecânica do “material-rocha” em si, mais do que propriamente do maciço
rochoso, formado por “blocos” de “rocha intacta”.
A resistência mecânica à compressão pode mesmo considerar-se uma propriedade-indice
da maior importância. Ela é dada por:
σc =
Fc
A
Em que Fc é a força compressiva aplicada e A é a área de aplicação.
As propriedades físicas, ou propriedades-índice das rochas, determinam-se normalmente
em laboratório: as mais importantes a nível da influência no comportamento mecânico dos
materiais rochosos são, para além da resistência à compressão, a porosidade, o peso
específico e a alterabilidade, ou durabilidade.
A porosidade (n) é a relação entre o volume ocupado pelos vazios ou poros da rocha (Vv) e
o volume total (V):
n=
Vv
V
A porosidade pode variar entre 0 e 90%, com valores normais entre 15 e 30%. A porosidade
normalmente é inversamente proporcional à idade geológica e directamente proporcional ao
grau de alteração. As rochas sedimentares detríticas, a par de algumas rochas vulcânicas e
de rochas muito alteradas apresentam os maiores valores. As rochas utilizadas para como
materiais de construção, especialmente as rochas ígneas, costumam apresentar valores
muito baixos, próximos de zero. Os calcários com mais de 10% de porosidade são
normalmente rejeitados na produção de agregados.
O peso específico da rocha, ou peso por unidade de volume, depende dos seus
componentes. As rochas, mais do que os solos apresentam uma grande variação nos
valores do peso específico. As rochas ígneas de composição básica apresentam os maiores
pesos específicos.
Na tabela 9 apresentam-se valores de resistência à compressão uniaxial, peso específico e
porosidade para algumas rochas utilizadas como materiais de construção. Como se vê
todas estas rochas apresentam, quando sãs, resistências à compressão elevadas a muito
elevadas, porosidades baixas e peso específicos elevados.
III-9
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Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
Tabela 9 - Valores médios de resistência à compressão uniaxial para rochas (adapt. e modif. de
Vallejo et al, 2002)
Rocha
Andesito
Basalto
Calcário
Quartzito
Diorito
Dolomito
Gabro
Granito
Grauvaque
σc
(MPa)
210 - 320
150 - 215
80 - 140
200 - 320
180 - 245
200 - 300
210 - 280
170 - 230
180
Peso específico
(g/cm3)
Porosidade
(%)
2,2 - 2,35
2,7 - 2,9
2,3 - 2,6
2,6 - 2,7
2,7 - 2,85
2,5 - 2,6
3,0 - 3,1
2,6 - 2,7
2,8
10 - 15
0,1 - 2
5 - 20
0,1 - 0,5
0,2 - 1,0
0,5 - 10
0,1 - 0,2
0,5 - 1,5
3
A durabilidade é a resistência que a rocha apresenta perante os processos de alteração
(como a hidratação, dissolução, oxidação, etc…). Pretende-se que os materiais rochosos
utilizados em obra conservem ao longo do tempo as suas características mecânicas (e
outras), ou que, pelo menos não se degradem para além de certos limites compatíveis com
as suas funções em obra.
A durabilidade em regra é directamente proporcional ao peso específico e inversamente
proporcional à porosidade. Determinados tipos de rochas com conteúdos importantes em
minerais argilosos (alguns calcários e rochas ígneas, por exemplo), quando expostos ao ar
ou na presença de água, degradam-se rapidamente, não sendo aconselháveis para a
utilização como materiais de construção.
A durabilidade é avaliada em ensaios de laboratório, como o ensaio de expansibilidade, de
cristalização de sais, o slake durability test, o micro-Deval ou o ensaio na máquina de Los
Angeles. O primeiro avalia a susceptibilidade de uma rocha aumentar de volume na
presença de água, fenómeno associado à porosidade e à percentagem de minerais
argilosos.
O
segundo
procura
determinar
a
resistência
a
agentes
meteóricos,
nomeadamente aos danos produzidos pela cristalização de sais no interior de rochas11. Os
dois últimos dão origem a um índice que representa a percentagem em peso seco de rocha
que fica retida (ou que passa) no tambor depois de determinados ciclos de desgaste.
Na prática utilizam-se, com frequência, critérios indirectos, ou de campo, que informam
sobre a qualidade da rocha do maciço rochoso a níveis onde a observação directa não é
possível. Esses critérios são obtidos através de trabalhos de prospecção geotécnica12, quer
recorrendo a métodos mecânicos, quer geofísicos, tão necessários para o reconhecimento e
avaliação das reservas minerais e para o planeamento da lavra.
11
Utiliza-se vulgarmente uma solução de sulfato de sódio ou magnésio.
Conjunto de operações que visam determinar a natureza e as características dos terrenos em
profundidade e proceder à colheita de amostras para ensaios de laboratório.
12
III-10
FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
Por exemplo, em sondagens mecânicas de rotação com amostragem contínua um critério
muito utilizado é o da percentagem de recuperação13 da amostra, correlacionável com o
estado de alteração. Embora este valor possa ser influenciado por vários factores externos à
qualidade do maciço (condições do equipamento, competência do operador, etc..) poderá
efectuar-se a seguinte equivalência:
- % REC > 80% = W1-2 (maciço de boa qualidade)
- % REC: 50 - 80% = W3 (maciço de qualidade mediana)
- % REC < 50% = W4-5 (maciço de má qualidade)
Mas o estudo dos testemunhos das sondagens pode também dar informações relevantes no
que se refere ao estado de fracturação. No intuito de englobar num só os dois critérios –
alteração e fracturação – foi desenvolvido um sistema de classificação, baseado na
percentagem de recuperação, que se designou por RQD14 (rock quality designation) e que
se apresenta na tabela 10.
Tabela 10 - Classificação RQD, segundo Deere et al. (1988)
RQD (%)
90-100
75-90
50-75
25-50
0-25
Qualidade do maciço
Excelente
Bom
Razoável
Fraco
Muito fraco
Outro ensaio de campo indicativo da qualidade do maciço rochoso é o da realização de
perfis sísmicos de refracção, o que permite obter a velocidade de propagação das ondas
elásticas nesse meio, parâmetro também possível de obter em laboratório para provetes de
rocha (ensaio de ultrassons). No primeiro caso este parâmetro é correlacionável o estado de
alteração e de fracturação do maciço; no segundo mais directamente com a porosidade da
rocha. Na tabela 11 apresentam-se alguns dos valores típicos para as rochas mais
correntes, em comparação com outros meios.
Tabela 11 - Velocidade de propagação das ondas elásticas longitudinais
Rocha
Arenito
Basalto
Calcário
Quartzito
Dolomito
Gabro
Granito
Ar
Água
Areia solta
VL (m/s)
1.400-4.200
4.500-6.500
2.500-6.000
5.000-6.500
5.000-6.000
4.500-6.500
4.500-6.000
330
1.850
400-800
13
Percentagem de recuperação (% rec) = 100 x Σ comprimento dos tarolos / comprimento da
furação, medido por manobra (isto é, por cada trecho furado).
14
RQD (%) =100 x Σ comprimento dos tarolos ≥ 10cm / comprimento da furação, por manobra
III-11
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Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO (preparado por Eng.º Marco A. L. Marques)
Introdução
Como se referiu anteriormente, as rochas são materiais extremamente úteis nas realizações da Engenharia Civil,
nomeadamente enquanto materiais de construção, contudo, muitas delas são susceptíveis à alteração, podendo
acarretar graves problemas em obra.
Sendo a água o grande agente de alteração das rochas, interessa estudar o modo como os materiais a
absorvem, assim como a forma como a perdem. A água é transportada pelo espaço poroso interconectado e
com ligação à superfície, assim como por fracturas e/ou descontinuidades no seio do material rochoso.
A) Absorção de água por capilaridade
A ascensão de água ao longo de capilares, ou seja de tubos de pequeno diâmetro, resulta da tensão superficial
na interface ar-água.
A água é um líquido que molha as paredes dos tubos (ao contrário do mercúrio) e por isso sobe e forma no
interior dos mesmos meniscos côncavos. A tensão superficial ocasiona um diferencial de pressão entre os lados
côncavo e convexo do menisco, sendo superior no primeiro.
Considerando uma bolha (esfera) de gás num líquido, cortando-a por um plano diametral imaginário, vem que o
diferencial de pressão tende a afastar os dois hemisférios. Porém este movimento é contrariado pela tensão
superficial perimetral nos dois hemisférios, permitindo o equilíbrio entre o excesso de pressão que os afasta e a
tensão superficial que os junta.
Assim, fazendo um balanço de forças vem para a força do excesso de pressão P, sendo r o raio da esfera:
Fp = π r2P
A força que actua pela tensão superficial T perímetral (circunferência) é:
FT = 2πrT
π r2P = 2πrT
No equilíbrio:
Logo:
P=
2T
r
Analisando as tensões num menisco formado num tubo capilar, temos na figura 1:
Figura 1 – Pormenor de menisco na interface ar-água, adaptado de Matos Fernandes (1994)
III-12
FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
Sendo:
T, a tensão superficial na interface ar-água, que passamos a designar por σ,
P, o diferencial de pressão entre os lados côncavo e convexo (interface)
a, o raio do menisco,
θ o ângulo de contacto entre o menisco e a parede do tubo de raio r
Como
a=
r
cos θ
Surge a Equação de Laplace para a pressão capilar:
P=
2σ cos θ
r
Se a água subir até o seu peso equilibrar a tensão superficial, a altura da ascensão capilar (hc), vem:
2πr T cosθ = πr2 hc γw
(γw é a massa volúmica da água)
Pela Lei de Jurin, temos:
hc = 2T cos θ
rγ w
Exprime que a altura da ascensão capilar é inversamente proporcional aos raios dos capilares.
A água não ascende até uma altura “infinita”, num capilar de raio infinitesimal porque a força da gravidade faz
sentir a sua acção preponderante. Em paredes de alvenaria (por exemplo, de pedra) não ultrapassa alguns
metros de altura.
B) Secagem
O processo de evaporação de água pela superfície de uma amostra de rocha saturada ocorre por um
mecanismo de difusão, que se traduz no transporte de moléculas de água (sob a forma de vapor) no ar.
Assumindo um meio rochoso isótropo, em que o transporte das moléculas de água ocorre segundo movimentos
aleatórios, admitindo-se uma transferência unidireccional resultante das diferenças de concentração no meio, o
respectivo gradiente vem:
dC
dx
sendo,
C – concentração da água difundida
x - eixo de coordenadas perpendicular à superfície
considerando-se o coeficiente de difusão D como constante (meio isótropo), a velocidade de transporte da
matéria pela secção da amostra ou seja o fluxo é dado por:
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
q=-D
dC
dx
(1ª Lei de Fick)
A evolução ao longo do tempo da concentração da substância água no interior da rocha até o equilíbrio ser
atingido, ou seja a equação de balanço material é dada por:
∂C = D ∂ 2 C
∂t
∂x 2
(2ª Lei de Fick)
(Observação: Em Física as segundas derivadas parciais estão geralmente associadas a fenómenos de
propagação/transporte).
O gráfico seguinte (Figura 2) mostra a evolução da secagem numa amostra de rocha. Neste observa-se o teor
de água ao longo do tempo.
Teor água (%)
Regime de fluxo constante
Ponto crítico
Regime de fluxo decrescente
0
0
t (h)
O Processo de secagem ocorre segundo os regimes:
•
Fluxo de regime constante, inicial, em que a frente líquida se encontra em contacto com a superfície
exterior e a variação de massa da amostra no tempo é linear. A amostra encontra-se ainda saturada de
um modo uniforme ao longo de toda a sua espessura.
•
Fluxo de regime decrescente, em que a quantidade de água no interior da amostra deixa de ser
suficiente para que a frente líquida permaneça em contacto com a superfície. A amostra deixa de estar
saturada, ocorre recuo da frente líquida, a superfície exterior seca e a difusão do vapor de água
processa-se em profundidade. A perda de massa da amostra decorre segundo a raiz quadrada do
tempo.
•
Um último regime de fluxo constante, com taxas de evolução no tempo diferentes das do regime inicial.
Designa-se por ponto crítico, o ponto do gráfico de secagem que assinala a transição do troço inicial recto para o
troço curvo, ou seja que assinala a mudança do regime de fluxo constante para o regime de fluxo decrescente.
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FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA
Cap. 3 - INTRODUÇÃO À DESCRIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE ROCHAS
FONTES DE INFORMAÇÃO E MAIS LEITURAS EM:
Barton, N.; Lien, R. & Lunde, J. (1974) – “Engineering classification of rock masses for the
design of tunnel support”. Rock Mechanics, vol. 6, (4), pp. 189-236.
Bieniawski, Z. T. (1979) – “The geomechanics classification in rock mechanics application”.
Proc. 4 th International Cong. Rock Mech., ISRM, Montreaux, vol.2, pp. 41-48.
Charrua-Graça, J. Gabriel (1984) – “Um conceito de medida de heterogeneidade”.
Geotecnia (40), Lisboa, pp. 1-4.
Deere, D.U. and Deere, D.W. (1988) – “The Rock Quality Designation (RQD) Index in
Practice. Rock Classification Systems for Engineering Purposes”. Kirkaldie, L., ed. ASTM
STP 984. 91-101. Philadelphia, Pennsylvania: American Society for Testing and Materials.
González de Vallejo, L.; Ferrer, M; Ortuño, L e Oteo, C. (2002) – “Ingeniería Geológica”.
Prentice Hall, 715 p.
ISRM (1981) – “Basic Geotechnical Description of Rock Masses”. Int. J. Rock Mech. Sci. &
Geomech. Abstr., 18:85-110.
LNEC (1962) – “Vocabulário de Estradas e Aeródromos “.
Matos Fernandes, M.A. (1994) – “Mecânica dos Solos”. FEUP, Porto.
Mello-Mendes, F. (1967) – “Mecânica das Rochas”. AEIST, Lisboa.
Oliveira, R. (1981) – “Introdução à Geologia de Engenharia”. Notas de aulas dos cursos de
mestrado em Geotecnia da FCT/UNL (não publicado).
Rocha, Manuel (1981) – “Mecânica das Rochas”. LNEC, Lisboa.
Rocha, Manuel (1977) – “Alguns problemas relativos à mecânica das rochas dos materiais
de baixa resistência”. Lisboa, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, 25 p. (Memória
491).
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