Apostila mecanica das rochas

Apostila mecanica das rochas

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CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO A 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 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 das rochas tem como finalidade estudar as propriedades e o comportamento 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 das centenas de anos de experiência, foi somente nestas últimas décadas que a 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 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 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 radioativos: o isolamento dos 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 função das características dos materiais, a análise do comportamento rochoso é geralmente 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 massa ou em fragmentos. Apresenta descontinuidade à escala ultramicroscópica da ordem de 10-8 mm (em nível de átomos e redes cristalinas), microscópica da ordem de mm (por ex: microfissuras, 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.

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 de volume da rocha, expressa em g/cm3, t/m3 etc.

Obs.: - as rochas debaixa densidadese deformam e rompem com facilidade, requerendo um fator de energia relativamente baixo.

Exemplos: Gnaisse: 2,9 t/m3

Granito: 2,7 t/m3

Quartzito: 2,6 t/m3

As rochas densasprecisam 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;

  • Redução da resistência dinâmica à compressão e, conseqüentemente, incremento da trituração e percentagem de finos.

Sendo: Vp= volume dos poros;

Vg= volume dos grãos.

Módulo de Young: é a relação entre a tensão () e a deformação () 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

propriedade.

Coeficiente de Poisson: é a relação entre a deformação lateral (t) e a deformação longitudinal (l), sofrida pela rocha, isto é:

Chama-se N de Poisson (m) ao inverso do Coeficiente de Poisson:

Tensão: é uma grandeza física derivada de outra grandeza, a força. Não podem ser medidas 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 como o quociente entre força (grandeza vetorial) e área (grandeza escalar).

σ = F/A

A componente paralela ao plano de aplicação da força é denominada de tensão de cisalhamento, enquanto a normal ou perpendicular, tensão de distensão ou de 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.

Deformação: 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 materialé 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)

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