Apostila - Mecânica das Rochas

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~ 
MECANICA 
DAS ROCHAS.~~ 
(Versão 3) 
Paulo Gustavo C. ·Lins 
Antonio Airton Bortolucci 
Tarcísio 8. Celestino 
Notas de aula da disàplina Mecânica das 
Rochas da Escola de Engenharia de São 
Carlos da USP e da Escola Politécnica da 
UFBA. 
Salvador, BA. 
São Carlos, SP. 
Julho.de 2006. 
SUMÁRIO 
1 - INTRODUÇÃO 
1.1 - HISTÓRICO . 
1.2 - RELAÇÃO COM OUTRAS DISCIPLINAS 
1.3- MOTIVAÇÕES DO RÁPIDO DESENVOLVIMENTO 
1.4 - O ÂMBITO DA MECÂNICA DAS ROCHAS 
~ ~~ = ~6~~~~J~ ~~~gES EM MECÂNICA DAS ROCHAS 
1. 7 - ASPECTOS PECULIARIARES DOS MACIÇOS ROCHOSOS 
1.8 - CASOS HISTÓRICOS 
1.9 - FONTES DE INFORMAÇÃO EM MECÂNICA DAS ROCHAS 
2 - CARACTERIZAÇÃO DOS MACIÇOS ROCHOSOS 
2.1 - INTRODUÇÃO 
2.2 - DEFINIÇÕES 
2.3 - DESCRIÇÃO DAS DESCONTINUIDADES 
2.4 - TÉCNICAS DE PROSPECÇÃO 
3 - ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS EM ROCHA 
3.1 - INTRODUÇÃO 
3.2 - MÉTODOS CONSTRUTIVOS 
3.3 - COMPORTAMENTO DO MACIÇO 
3.4 - DIMENSIONAMENTO DO SUPORTE 
3.5 - INSTUMENTAÇÃO 
4 - CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS 
4.1 - INTRODUÇÃO 
4.2 - OS PRIMEIROS SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO 
4.3 - O SISTEMA RMR DE BIENIAWSKI 
4.4 - O SISTEMA Q DE BARTON 
5 - TENSÕES EM MACIÇOS ROCHOSOS 
5.1 - INTRODUÇÃO 
5.2 - DEFINIÇÕES 
5.3 - TENSÕES NA TURAJS 
5.4 - TENSÕES INDUZIDAS 
5.5-DETERMINAÇÃO DE TENSÕES POR INSTRUMENTAÇÃO 
6. DEFORMABILIDADE DOS MACIÇOS ROCHOSOS 
6.1 -INTRODUÇÃO 
6.2 - DEFINIÇÕES 
6.3 - ENSAIOS DE LABORATÓRIO 
6.4 - ENSAIOS DE CAMPO 
6.5 - ENSAIOS SÍSMICOS 
.6 - ESTIMATIVAS DO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE 
89 
go 
g2 
g6 
98 
101 
6. 7 - COMPORTAMENTO DEPENDENTE DO TEMPO 102 
6.8- DEFORMABILIDADE DE DESCONTINUIDADES 104 
7 - RESISTêNCIA DOS MACIÇOS ROCHOSOS 
7.1 - INTRODUÇÃO 107 
7.2- DEFINIÇÕES 107 
7.3 - TIPOS DE RUPTURA EM ROCHA 112 
7.4- ENSAIOS DE LABORATÓRIO 113 
7.5-CRITÉRIOS DE RESISTtNCIA PARA ROCHAS 115 
7.6-SOLICITAÇÃO TRIAXIAL EM ROCHAS FRATURADAS 121 
8 - COMPORTAMENTO MECÂNICO DE DESCONTINUIDADES 
8.1 - INTRODUÇÃO 125 
8.2- COMPORTAMENTO DE DESCONTINUIDADES LISAS 127 
8.3-COMPORTAMENTO DE DESCONTINUIDADES RUGOSAS 128 
8.4 - DESCONTINUIDADES PREENCHIDAS 133 
8.5 - INFLUtNCIA DA ÁGUA 133 
9 - HIDRÁULICA DE MACIÇOS ROCHOSOS 
9.1 - INTRODUÇÃO 135 
9.2 - DEFINIÇÕES 137 
9.3 - FLUXO EM UMA DESCONTINUIDADE 140 
9.4 - FLUXO EM UM MACIÇO ROCHOSO 142 
9.5 - ENSAIOS DE CAMPO 144 
9.6 - TÉCNICAS DE MODELAGEM 145 
10- ESTABILIDADE DE TALUDES EM ROCHA 
10.1 - INTRODUÇÃO 148 
10.2 - DEFINIÇÕES 149 
10.3- PROBLEMA FUNDAMENTAL 150 
10.4 - MODOS DE RUPTURA 152 
10.5 - MÉTODOS PROBABILfSTICOS 158 
Capítulo 1 
INTRODUÇÃO 
1.1 - HISTÓRICO 
Desde a remota antigüidade a rocha sempre desempenhou um papel importante na vida do 
ser humano. Cavernas serviam de abrigo, pedras eram instrumentos e armas, elevações 
rochosas eram escolhidas como local para construção de cidades mais protegidas de 
ataques, o próprio uso da rocha como material de construção é muito antigo (de MELLO 
& TEIXEIRA, 1966). 
Trabalhos subterrâneos de mineração já eram desenvolvidos na era pré-cristã, conhece-se o 
caso de uma galeria inclinada aberta, em 400 A.C., até uma profundidade de mais de 100m. 
Durante a Renascença, em 1556, Agricola descreveu em seu "De Re Metal11rgid' métodos 
relativos ao desenvolvimento de cavidades subterrâneas para mineração, tais métodos 
restringiam-se a máquinas rudimentares e eventualmente o uso do fogo para 
enfraquecimento da rocha a ser escavada (KANJI, 1976). 
A necessidade de um melhor conhecimento do comportamento dos maciços rochosos 
cresceu partir do século XIX com o advento da dinamite e a melhoria dos processos de 
perfuração que permitiram a realização de trabalhos de maior envergadura em rocha 
(KANJI, 1976). Tais obras consistiam principalmente de túneis ferroviários como o de S. 
Gotardo, com 15 km de extensão, construído entre 1872 e 1880, e onde durante a 
construção ocorreram cerca de 800 mortes, provocadas por problemas de higiene e falta de 
ventilação. Outra construção de destaque é o túnel ferroviário de Simplon, com 18 km de 
extensão, chegando a mais de 2.300 m abaixo do pico do Monte Leone e cuja execução 
demorou 8 anos, sendo aberto ao tráfego em 1906. Nesta obra descobriu-se que a 
temperatura da crosta terrestre aumenta com a profundidade cerca de 1 ºC por cada 30 a 45 
m de profundidade, o conhecido grau geotérmico (de MELLO & TEIXEIRA, 1966). 
Por volta de 1920 importantes experiências nos túneis suíços de Amsteg e Ritan 
demonstraram a deformabilidade das rochas, que até então eram admitidas indeformáveis. 
Nesta época o geólogo suíço Albert Heim postulou o estado hidrostático de tensões nos 
maciços rochosos em profundidade. Em 1926, V. Schmidt e F. Fenner aplicaram o critério 
de resistência de Coulomb pela primeira vez em cálculos de estabilidade de túneis. Durante 
a 2.". Guerra Mundial tomaram impulso as obras hidroelétricas subterrâneas, 
desenvolveram-se ensaios de deformabilidade em galerias, para o dimensionamento de 
blindagem de túneis com pressão interna e casas de força subterrâneas de grandes 
dimensões (de MELLO & TEIXEIRA, 1966). 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 2 
Dois eventos trágicos, os acidentes ocorridos nas Barragens de Malpasset em 1959 e Vajont 
em 1963, _ lev~ a um incremento na investigação do comportamento dos maciços 
rochosos. Naquele momento notou ser necessária uma melhor compreensão do 
comportamento dos maciços rochosos para a execução de obras com padrões de segurança 
e de economia aceitáveis. 
O estabelecimento da Mecânica das Rochas como uma especialidade ocorreu 
principalmente a partir da década de 1960. Sendo que a designação desse novo ramo da 
mecânica apareceu por volta de 1955. Um marco significativo foi a publicação das 
primeiras obras a sistematizar o conhecimento existente, o livro de J. A. Talobre intitulado 
"La Mécanique des Roches" editada em 1957, e o livro do Prof. L. Müller "Der Felsbau" 
em 1963. Os progressos alcançados na compreensão do comportamento dos maciços 
rochosos marcaram o início do fim da era da "experiência" (onde os indivíduos 
solucionavam problemas com critérios subjetivos e pessoais) passando para uma 
abordagem mais objetiva e racional. (ROCHA, 1981). 
É interessante observar que a Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM) foi 
constituída em 1962 e teve seu primeiro congresso em Lisboa, em 1966. Este congresso 
marcou um passo decisivo na consagração da nova disciplina, tendo um papel destacado o 
Dr. Manoel Rocha do LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil) em Lisboa, 
Portugal. A ISRM continua a organizar seus congressos a cada 4 anos. 
Atualmente a Mecânica das Rochas ainda é apresentada como disciplina isolada em poucos 
cursos de graduação no Brasil, sendo a presença da disciplina mais comum em programas 
de pós-graduação. No Brasil a disciplina foi ministrada em cursos de graduação pela 
primeira vez na década de 1960 na Escola de Engenharia de São Carlos da USP. 
1.2 - RELAÇÃO COM OUTRAS DISCIPLINAS 
Tal qual acontece com outras disciplinas novas, a Mecânica das Rochas agregou e conferiu 
unidade a conhecimentos sobre maciços rochosos que existiam em outras disciplinas. 
Dentre estas disciplinas destacam-se: Mecânica dos Solos, Petrografia, Geologia 
(especialmente a Geologia de Engenharia), Teoria da Elasticidade, Teoria da Plasticidade, 
Reologia, Mecânica da Fratura, Mecânica do Contínuo, Métodos Numéricos e Hidráulica 
de Meios Porosos e Fraturados. · 
Três razões podem explicar o fato de a Mecânica das Rochas aparecer posteriormente à 
Mecânica dos Solos: 1) a alta complexidade dos fenômenos envolvidos; 2) as altas 
competências dos maciços rochosos; e 3) o fato das obras importantes em maciços 
rochosos terem sido precedidas por obras em maciços de solo. 
1.3 - MOTIVAÇÕES DO RÁPIDO DESENVOLVIMENTO 
O rápido desenvolvimento da Mecânica das Rochas deve-se ao surgimento de importantes 
problemas na área e de conhecimentos e técnicas que pennitirarn a solução destes 
problemas. 
Dentro da Engenharia Civil destacam-se o crescimento das dimensões das obras e o 
conseqüenteaumento das solicitações que chegaram ao limite da resistência de alguns 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 3 
maciços rochosos. No caso de obras subterrâneas, o aumento das dimensões e das 
profundidades também trouxe novos desafios. 
Na Engenharia de Minas preocupações de ordem econômica e segurança, além do 
aumento das profundidades atingidas pelas minas subterrâneas e das alturas dos taludes, 
são inspiradores do desenvolvimento da Mecânica das Rochas. 
A Engenharia de Petróleo tem contribuído para a dinamização da Mecânica das Rochas 
através da sua necessidade de executar economicamente e manter estáveis furos de grande 
profundidade, entre outras atividades. 
No campo das Geociências existe para a Mecânica das Rochas o desafio de entender os 
fenômenos de deformação e ruptura da crosta terrestre, além de investigar os fenômenos 
envolvidos na ocorrência de sismos. 
1.4 - O ÂMBITO DA MECÂNICA DAS ROCHAS 
Para fins de Engenharia a distinção entre solo e rocha é realizada de forma não rigorosa. As 
rochas são, via de regra, materiais menos deformáveis e mais resistentes, não sendo questão 
de fundamental interesse definir uma fronteira clara entre um solo duro e uma rocha 
branda. A variação da deformabilidade e resistência destes materiais pode ser percebida na 
Tabela 1.1. 
Tabela 1.1- Faixa de variação de parâmetros de deformabilidade e resistência de 
diferentes solos e rochas (modificado de ROCHA, 1981). 
Material Módulo de Deformabilidade Coesão Ângulo de Atrito 
(GPa) (MPa) f) 
Areias 0,005 - 0,045 - 30- 40 
Argilas 0,001 - 0,050 O- 0,25 30- 35 
Argilitos e siltitos 0,4- 30 0,5 - 12 30- 55 
Calcários 0,5 - 100 0,5 - 40 30- 50 
Quartzitos 20-100 15- 30 45- 65 
Granitos e gnaisses 0,4- 100 0,4- 25 35- 65 
Xistos 0,4- 80 0,4- 20 30- 65 
ROCHA (1981) apresenta um critério de distinção entre solos e rochas segundo o qual "os 
solos são os terrenos constituídos por partículas soltas ou agregadas de tal modo que se 
podem separar facilmente mediante agitação dentro d' água". É importante frisar o fato de 
que ao referido critério correspondem materiais que exibem propriedades tecnológicas 
muito diversas, em especial deformabilidade e resistência, que são as propriedades de maior 
interesse para o Engenheiro. 
O aspecto específico que levou a individualização da Mecânica dos Solos, em relação à 
Mecânica de outros materiais, foi a presença e a influência da água· nos seus interstícios. O 
que distinguiria então a Mecânica das Rochas seria a presença de descontinuidades no 
maciço. Para ROCHA (1981), a Mecânica das Rochas seria "a mecânica de um meio cortado por 
srtpeificies de descontinuidades". 
A presença de descontinuidades em maciços rochosos é uma das questões centrais em 
Mecânica das Rochas. Exige o tratamento de materiais intactos de comportamento 
complexo, interceptado por descontinuidades que delimitam blocos isolados. Isso no caso 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) 4 
de descontinuidades extensas (quando comparadas à escala da obra), chamadas de 
descontinuidades persistentes. No caso de descontinuidades não persistentes, além dos 
comportamentos isolados do material e das descontinuidades, surge o problema de 
interação ~tre os dois. 
1.5 - O PROJETO DE OBRAS EM ROCHAS 
Um projeto de Engenharia pode ser definido como uma atividade sócio-econômica, na 
qual, princípios científicos, de engenharia e comportamentais, em conjunto com 
informações técnicas e experimentais são aplicados, com habilidade, imaginação e senso 
crítico, na criação de dispositivos, processos e sistemas, economicamente viáveis, 
agradáveis esteticamente e ambientalmente aceitáveis, para o beneficio da sociedade. O 
processo de projetar engloba todas as atividades e eventos que podem ocorrer desde o 
reconhecimento da necessidade social ou oportunidade até sua especificação detalhada ou 
solução aceitável (BIENIA WSKI, 1989). 
BIENIA WSKI (1989) divide os estágios no processo de um projeto de Engenharia em: 
1) Reconhecimento de uma necessidade. 
2) Estabelecimento do proble~a, identificação dos objetivos e lançamento do 
projeto. 
3) Coleta de informações. 
4) Formulação conceitua! em acordo com os critérios de projeto: busca de um 
método, teoria, modelo ou hipóteses. 
5) Análise dos componentes da solução. 
6) Síntese para criação de soluções alternativas. 
7) Valoração das idéias e da solução. 
8) Otimização. 
9) Comunicação. 
10) Implementação. 
Todos os estágios estão sujeitos a uma retro-alimentação. 
Os métodos de projeto podem ser reunidos em três categorias, sendo usual aplicar os três 
tipos de métodos em uma mesma obra. As categorias de projeto são: 
1) MÉTODOS ANAÚTICOS: o projeto é realizado baseado em resultados de 
técnicas de análises como as soluções analíticas fechadas, métodos numéricos, 
(MEF, :MDF, MEC, etc.), simulações analógicas (elétricas e fotoelásticas) e 
modelagem fisica. 
2) MÉTODOS OBSERVACIONAIS: onde o comportamento da obra é inferido 
utilizando-se os resultados de instrumentação ou observação efetuados durante 
a construção. Embora considerado um método separado, é usado para verificar 
os resultados e as previsões dos outros métodos. Esta seria a abordagem do 
"projetar enquanto constrói" ("design as yo11 go"). 
3) MÉTODOS EMPÍRICOS: utilizam-se estudos de obras anteriores para prever 
o comportamento de obras posteriores. Um exemplo clássico, em Mecânica das 
Rochas, são as classificações geomecânicas. 
Existe uma .nítida diferença entre o projeto de uma estrutura convencional (edificios, 
pontes ... ) e um projeto em rocha. Em um projeto convencional as cargas aplicadas são 
determinadas primeiro e o material é prescrito com as resistências e características de 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) 5 
deformação apropriadas, seguindo a geometria estrutural selecionada. Na Mecânica das 
Rochas o projetista trabalha com maciços rochosos complexos, e as propriedades dos 
materiais não podem ser estabelecidas e muitas vezes só serão conhecidas em fases 
avançadas da construção. As cargas aplicadas à estrutura de suporte dependerão não só das 
tensões iniciais do maciço, mas também da geometria e seqüência de escavação, das 
propriedades do material empregado para suporte, etc. A própria geometria da obra pode 
ser condicionada pelas características geológicas (BIENIA WSKI, 1989). 
1.6 MODELAGEM E PREVISÕES EM MECÂNICA DAS 
ROCHAS 
Ao contrário de um projeto de estruturas convencionais, onde é possível uma 
normatização dos procedimentos de cálculo, cada construção em rocha é única. Desta 
forma, é necessário elaborar um modelo que permita estudar o comportamento do 
protótipo (a estrutura em campo). 
Um modelo é uma representação ou abstração de um sistema ou processo (STARFIELD 
& BLELOCH, 1986). Os modelos são construídos para: 1) definir um problema, 2) 
organizar as idéias, 3) compreender os dados, 4) comunicar e testar a compreensão, 5) 
realizar previsões. Um modelo é acima de tudo uma ferramenta intelectual. Os modelos são 
um importante instrumento utilizado na solução de problemas de engenharia. 
Na elaboração de um modelo é necessário inicialmente conhecer as características da 
estrutura (funções, dimensões, materiais, etc.). Em seguida é necessário teorizar a 
representação da estrutura (em relação a sua geometria, ao comportamento dos materiais, 
solicitações, etc.) elaborando um Modelo Conceitual, ou seja uma descrição qualitativa do 
comportamento da estrutura. Via de regra, o Modelo Conceitual é bastante complexo, e 
contempla todo o conhecimento sobre o comportamento da estrutura. O passo seguinte é 
a elaboração de uma representação "matematizada" do Modelo Conceitual, nascendo assim 
o Modelo de Cálculo. Dificilmente se consegue simular todos os detalhes contidos no 
Modelo Conceitual, assim, no Modelo de Cálculo usualmente são representados apenas os 
aspectos mais relevantes do Modelo Conceitual. Os próprios Modelos de Cálculo podem 
possuir diferentes graus de simplificação. Muitos problemas podem ser solucionados 
simplesmentea partir do Modelo Conceitual, não sendo necessário, ou possível, a 
elaboração de um Modelo de Cálculo. A Figura 1.1 ilustra as etapas de construção do 
modelo. A questão de elaboração de modelos é tratada, dentre outros, em STARFIELD & 
BLELOCH (1986), STARFIELD &CUNDALL (1988) e de ZAGOTTIS (1976). 
Protótipo Modelo Modelo de 
Conceituai Cálculo 
Estrutura "real " f-+- Descrição i- Representação 
em campo. . qualitativa do matematizada do 
comportamento modelo conceituai. 
protótipo. 
Figura 1.1- Etapas na elaboração de um modelo para estudo de um problema de 
Engenharia. 
Capítulo 1- lnaodução (Vcrsio 3) 6 
Na elaboração de um modelo várias questões genéricas devem ser abordadas podendo-se 
enumerar as seguintes: 1) O propósito do modelo, suas expectativas e suas limitações. 2) 
Como escolher o nível de detalhamento apropriado. 3) Se o problema se presta a uma 
simulação ou a uma abordagem analítica. 4) Se é necessário uma representação do tempo 
contínua ou discreta. 5) Se deve ser construído um modelo determinístico (admite-se 
conhecer o valor exato de todas as variáveis envolvidas) ou probabilístico (trabalha-se com 
elementos de incerteza do problema). A resposta a estas questões depende do propósito do 
modelo, assim pode-se notar como é infrutífero falar sobre um modelo fora de seu 
contexto. Não se pode criticar ou valorar um modelo a menos que se conheça o problema 
ao qual o modelo está endereçado (STARFIELD & BLELOCH, 1986). Questões 
peculiares que devem ser abordadas na modelagem de um maciço rochoso são 
apresentadas no item 1.7. 
A modelagem de um problema pode ser estudada de forma sistemática através do diagrama 
de Holling (Figura 1.3). O diagrama divide o espaço "compreensão do problema-dados 
disponíveis" em quatro regiões. Na região 1 existe uma boa coleção de dados mas limitada 
compreensão do problema; nesta região a estatística é uma boa ferramenta para 
modelagem. Na região 3 existe boa quantidade de dados e compreensão do problema; para 
problemas nesta região modelos teóricos podem ser elaborados, validados e utilizados com 
convicção. Principalmente para problemas onde existe limitação de informações 
disponíveis (regiões 2 e 4), uma alternativa de projeto é aumentar a compreensão e os 
dados durante a própria obra, através do acompanhamento da instrumentação, o que 
permite verificar e/ ou modificar as hipóteses de projeto, esta idéia é exatamente a dos 
métodos observacionais (STARFIELD & CUNDALL, 1988). 
f/) 
o 
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ro 
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1 3 
1 __ ___ _ __ ____ __ J _________ _ ___ _ _ _ _ 
4 
1 
1 
1 
1 2 
Compreensão 
Figura 1.2 - Diagrama de Holling (STARFlELD & CUNDALL, 1988). 
Um dos objetivos da elaboração do modelo é a expectativa de prever o comportamento da 
estrutura, durante e após a sua construção. A necessidade de previsões está presente em 
diversas ativjdades humanas (história, religião, política, guerra, economia, agricultura, etc.). 
Dentro da engenharia a necessidade de previsões também é corrente (tráfego, cus.tos, 
impacto ambiental, etc.). 
Para a realização de uma previsão são necessárias informações sobre o problema. No caso 
geotécnico as informações, isto é as propriedades dos materiais, apresentam uma larga faixa 
de variação, sendo muitas vezes dispersas e incompletas. Os modelos de cálculo para 
realização de previsões têm evoluído consideravelmente nos últimos anos. 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) 7 
LAMBE (1973) divide as previsões em 3 tipos quanto ao momento da sua realização e o 
conhecimento dos resultados no momento da previsão (Tabela 1.2). Previsões do tipo A 
são realizadas antes da ocorrência do evento. Previsões do tipo B são aquelas realizadas 
durante a construção, sendo que se o resultado da previsão é conhecido a previsão recebe a 
denominação de B1. Já as previsões do tipo C são realizadas após o evento, e a indicação 
C1 é dada se o objeto da previsão é conhecido. 
Previsões do tipo A são as mais desejáveis. Previsões do tipo B1 podem ser utilizadas nos 
métodos observacionais. Previsões do tipo C1 são na verdade "autopsias", que entretanto 
podem contribuir bastante para o aumento no conhecimento sobre um determinado 
assunto. Porém, pode ser muito suspeito utilizar previsões do tipo C1 para provar a boa 
qualidade de uma técnica de previsão. 
Ti revisão Momento da revisão Resultados no momento da revisão 
B 
B1 
e 
C1 
antes do evento 
durante o evento 
durante o evento 
após o evento 
a ós o evento 
não conhecido 
conhecido 
não conhecido 
conhecido 
Os métodos de projetos analíticos, sejam eles soluções analíticas fechadas ou até mesmo 
métodos numéricos, possuem graus de simplificações diversos. Quanto maior o grau de 
simplificação, a capacidade de previsão destes métodos fica mais atrelada à determinação 
dos seus parâmetros de entrada de maneira semi-empírica. Nestas situações cria-se uma 
inter-relação entre métodos e dados para que a capacidade de previsão destes métodos seja 
razoável. Os dados, ao invés de grandezas físicas claramente mensuráveis, são "valores de 
projeto" cuja determinação recai na "experiência" do projetista. Nestes métodos, a precisão 
da previsão depende menos da qualidade do método e mais da qualidade da seleção dos 
dados utilizados. É necessário que ó projetista tenha conhecimento, para os métodos 
adotados, das simplificações, da forma de seleção dos parâmetros e da ordem de grandeza 
do erro cometido nas previsões realizadas. 
O desenvolvimento de métodos de projeto mais elaborados, capazes de descrever melhor o 
problema em estudo, contribui para uma mudança deste paradigma. Mesmo assim a 
utilização de métodos refinados em conjunto com o resultado da instrumentação de campo 
é uma alternativa excelente para a construção de obras em rochas. 
1. 7 - ASPECTOS PECULIARIARES DOS MACIÇOS ROCHOSOS 
A dificuldade de realizar previsões da resposta de engenharia das rochas e dos maciços 
rochosos deriva em grande parte da presença de descontinuidades e sua variabilidade. A 
roéha tem seu comportamento individualizado em relação a outros materiais de engenharia, 
em grande parte, pela presença de descontinuidades (juntas, planos de acamamento, falhas). 
A resposta da própria rocha intacta é complexa e dificil de descrever teoricamente. Em 
uma escala microscópica uma dada rocha é constituída de um agregado de grãos de 
minerais que possuem propriedades fisicas bastante diferentes. Pode ainda conter micro-
fissuras inter e intra-granulares, podendo possuir características de anisotropia e resposta 
mecânica não linear (BROWN, 1995). A seguir são descritos aspectos que são 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 8 
reconhecidamente relevantes no comportamento dos maciços rochosos, muitos destes 
aspectos estão interrelacionados, estando sua defuúção amarrada à defmição de outros. 
• Homogeneidade x heterogeneidade 
Um maciço é dito heterogêneo se as propriedades de interesse (permeabilidade, resistência, 
deformabilidade, etc.) ou os materiais constituintes variam com a posição no espaço. Em 
uma visão estrita todos os maciços apresentam alguma heterogeneidade. De um ponto de 
vista prático diz-se que um maciço é homogêneo se a variação da propriedade de interesse 
não for relevante. 
A heterogeneidade das propriedades da rocha pode apresentar ou não um padrão 
estatístico. Caso se identifique este padrão as técnicas de geoestatística podem ser muito 
úteis. A geoestatística permite a análise da variação das propriedades da rocha em função da 
sua localização no espaço. 
• lsotropia x anisotropia 
Uma rocha é dita isotrópica se, em qualquer direção analisada, suas propriedades não 
apresentam variação significativa. Caso se verifique a variação da propriedade com a 
direção a rocha é dita anisotrópica (Figura 1.3). A característica de anisotropia está presente 
nas rochas principalmente por causa da orientação preferencial da sua estrutura ou micro-
estrutura, ou pela presença de planos de acamamento, ou planos de clivagem. Algumas 
rochas, como alguns granitos,apesar de não aparentar claramente uma anisotropia, podem 
possuir um considerável grau de anisotropia em suas propriedades de deforrnabilidade. 
Outras rochas, como filito, ardósia e xisto, aparentam e possuem marcante anisotropia. 
Nestas rochas, a resistência à compressão uniaxial pode variar de 5 a 10 vezes, em função 
da direção das tensões de carregamento (BROWN, 1995). 
(a) (b) 
Figura 1.3 - Seção de maciço (a) isotrópico e (b) anisotrópico. 
• Meio contínuo ou descontinuo 
Os maciços rochosos apresentam descontinuidades que vão de escalas microscópicas até 
escalas quilométricas. A hipótese de considerar o maciço rochoso como um meio contínuo 
ou como um meio descontínuo (fraturado) depende da relação entre as dimensões da obra 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 9 
e a espaçamento entre as descontinuidades (Figura 1.4). Uma ilustração disso para um 
problema mecânico é ilustrado na Figura 1.5, onde pode ser observado que se a obra tiver 
dimensões representadas pela situação 1, onde o espaçamento entre as descontinuidades é 
maior que a dimensão de interesse, o maciço pode ser considerado contínuo. Caso a obra 
tenha dimensões como as das situações 4 ou 5 pode-se trabalhar em termos de um 
"contínuo equivalente". Em situações intermediárias a consideração das descontinuidades 
individualmente é interessante ou impreterível. 
(] 
(a) Meio continuo: é valida a abordagem de 
meio contínuo. 
X,_ 
(e) Meio fraturado: a escolha da forma de 
modelagem deve ser realizada com cuidado. 
(b) Meio altamente fraturado: a abordagem de 
meio contínuo equivalente pode ser válida. 
(d) Meio pouco fraturado: deve ser tratado 
como um meio descontinuo. 
Figura 1.4 - Escolha do tipo de modelo para estudo de fluxo na fundação de uma 
barragem. 
5. Maciço altamente 
fraturado 
Figura 1.5 - Dimensão da obra em relação ao espaçamento das descontinuidades 
(HOEK et ai., 1995). 
Capíndo 1 - Introdução (Versão 3) 10 
• Efeito escala 
Uma das principais peculiaridades da Mecânica das Rochas é o fato de que em muitos casos 
as propriedades medidas dependem da escala em que o ensaio é realizado, o chamado 
efeito escala. Quanto à resistência, por exemplo, invariavelmente quanto maior o tamanho 
da amostra menor será a resistência obtida. Este inconveniente exige a realização de ensaios 
no laboratório e no campo, em diferentes escalas, e o desenvolvimento de modelos para 
sua interpretação e previsão do comportamento do maciço. A presença de 
descontinuidades e a variabilidade espacial são as principais causas do efeito escala em 
rocha. 
• Idealização do comportamento tensão x deformação 
Na engenharia geotécnica clássica distinguiam-se os problemas em problemas de 
deformabilidade e problemas de estabilidade, os primeiros eram tratados através da 
elasticidade linear e os seguintes pela teoria da plasticidade (fERZAGHI, 1943). Assim a 
análise dos problemas era realizada considerando a relação tensão x deformação do 
material como elástico linear (Figura 1.6a) ou ógido plástico (Figura 1.6b). Em parte esta 
divisão era definida pela limitação de ferramentas disponíveis na época. Atualmente com a 
proliferação das ferramentas computacionais é possível solucionar problemas com a 
consideração de relações constitutivas mais realísticas. Por questões didáticas a própria 
organização do presente texto é feita em termos de estudos de deformabilidade e estudos 
de resistência. 
(j' 
(a) Modelo elástico linear 
(j' 
E 
(b) Modelo rígido plástico 
Figura 6 - Modelos clássicos de representação da relação tensão x deformação de 
materiais geotécnicos. 
• Presença da água 
A água pode afetar o desempenho mecânico das rochas em duas formas distintas. O 
primeiro efeito refere-se à ação da água como agénte intempérico, reduzindo a resistência e 
aumentando a deformabilidade. O segundo efeito refere-se à aplicação do principio das 
tensões efetivas de Terzaghi. Segundo BROWN (1995) evidencias experimentais e 
argumentos teóricos sugerem que, para uma grande variedade de propriedade de materiais e 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) u 
condições de ensaio, a resposta da rocha depende não das tensões totais ou tensões 
aplicadas a IJ , mas das tensões efetivas: 
(1) 
onde u é a pressão neutra (ou pressão de água nas descontinuidades), Ô;; é o delta de 
Kronecker (ô= 1, quando i = j, ô= O, quando i *D e a~ 1 é uma constante para um dado 
caso. Para rochas altamente porosas como um arenito, o valor de a se aproxima da 
unidade, este é o valor para solos e descontinuidades. Para rochas com porosidade muito 
baixa, o valor de a se reduz consideravelmente abaixo da unidade. Seguramente a pressão 
da água nos poros ou nas juntas reduz a tensão efetiva e por conseqüência a resistência ao 
cisalhamento. Estes aspectos serão discutidos em detalhes em capítulos seguintes. 
• Alteração e alterabilidade 
Alteração é a mudança fisica ou química da rocha por reações com o ar ou soluções 
aquosas. A alterabilidade é o potencial que uma rocha tem de se alterar. Trata-se de um 
processo análogo à corrosão comum em outros materiais de engenharia. A alteração pode 
afetar as características mecânicas da rocha intacta. Um material que possuía boas 
qualidades de resposta mecânica em subsuperficie, pode tomar-se totalmente inadequado 
após algum tempo de exposição às condições atmosféricas ou de percolação de água. É 
importante, portanto, conhecer o comportamento de maciços rochosos, não só na sua 
condição in silll, mas também após algum tempo expostos às novas condições de trabalho. 
1.8 - CASOS HISTÓRICOS 
A seguir são descritos três casos históricos que ilustram as peculiaridades de um projeto em 
rocha. Os dois primeiros são as catástrofes das barragens de Vajont (Itália) e Malpasset 
(França) que marcaram o desenvolvimento da Mecânica das Rochas. O terceiro caso, que 
ilustra a retro-alimentação de um projeto, é relativo à fundação da Barragem principal de 
ltaipu. 
A barragem de Vajont foi construída, em arco de concreto, no norte da Itália no · final da 
década de 1950. Problemas de instabilidade nos taludes do reservatório foram detectados 
em 1959, ocorrendo um deslizamento em 1960. Em 9 de outubro de 1963 um talude 
rochoso do reservatório rompeu, com uma extensão de aproximadamente 2km. Uma 
massa de cerca de 275 milhões de m3, com uma velocidade de aproximadamente 25 m / s, 
entrou no reservatório. O movimento gerou uma onda d'água que passou sobre a crista da 
barragem. Cinco comunidades que existiam a jusante foram atingidas pela onda da 
enchente, causando a morte de mais de 2000 pessoas. Apesar da enorme quantidade de 
água que passou por cima da barragem, é interessante notar que ela permaneceu intacta 
(MÜLLER, 1987). 
A barragem de Malpasset, no sul da França, era uma barragem de arco com 
aproximadamente 60m de altura máxima e 223m de comprimento. No dia 2 de dezembro 
de 1959 a barragem rompeu bruscamente. A cidade de Frejus, 7km a jusante, foi atingida 
pela água e detritos. Mais de 300 pessoas morreram no desastre. A ruptura de Malpasset foi 
Capítulo 1 - Introdução (V enio 3) · 12 
a primeira ruptura de uma barragem em arco. A definição das causas da ruptura ainda é 
polêmica, entretanto diversas lições foram tiradas do acidente (LONDE, 1987). 
Alguns dos estudos realizados posteriormente à ruptura, com ensaios de percolação radial 
em corpos de prova cilíndricos, mostraram que a permeabilidade do material de fundação é 
altamente influenciável pelo estado de tensões. 1;.mbora não seja uma definição final, os 
resultados dos ensaios de percolação radial dão base para uma das principais hipóteses da 
causa da ruptura, como ilustrado na Figura 1.7: com o enchimento do reservatório a 
descontinuidade existente a jusante teria tido sua permeabilidade reduzida, aumentando, em 
decorrência, as pressões neutras na base da cunha, o que caracterizaria a formação de um 
mecanismo de escorregamento (LONDE, 1987). 
(a) Vista em planta 
y N.A. 
--
~ Pressão~ 
Neutra 1;j 
DescontinuidadePenneabilidade 
Ki 
e) Situação antes do enchimento 
J N.A. 
Descontinuidade 
a jusante 
(b) seçao transversal 
N.A. 
Descontinuidade 
Permeabilidade 
0.01Ki ou menor 
(d) Situação após o enchimento 
Figura 1. 7 - Descrição da ruptura da Barragem de Malpasset. 
Um caso que ilustra a retro-alimentação em um projeto de Mecânica das Rochas é o da 
fundação da Barragem principal e da casa de força da Usina Hidrelétrica de Itaipu. Esta 
estrutura estava fundada em um maciço de rocha basáltica com descontinuidades sub-
horizontais, que poderiam gerar uma instabilidade da barragem. Aspectos relacionados com 
o cronograma da construção e com a deformabilidade e a resistência do maciço de 
fundação levaram a uma solução de tratamento da fundação. Optou-se pela construção de 
túneis ao longo das descontinuidades que foram posteriormente preenchidos com 
concreto, constituindo chavetas de travamento da descontinuidade (Figuras 1.8 e 1.9). 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 
CHAVETAS OE TRAVAMENTO (CONCRETO) 
Figura 1.8 - Barragem de ltaipu - Seção da barragem principal e casa de força 
o 
'FLUXO o (7C ) , .. ~I) ~ 
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a D 
-
o 
m:zmz - CHAVETAS De TRAVAMENTO (CONCRETO) 
= -TúNEJS De DRENAGEM 
~ 
100m 
Figura 1.9 - Chavetas para reforço da fundação da barragem principal. 
13 
Conforme pode ser observado na Figura 1.10, a instrumentação mostrou uma melhor 
resposta do maciço com a construção do reforço da fundação (ABR.AHAO et aL , 1983). 
Capítulo 1 - Introdução (Versão 3) 
- ·- . 
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• 5 
Figura 1.10- Resultado da instrumentação da fundação da barragem principal 
(ABRAHÃO et al, 1983). 
1.9 - FONTES DE INFORMAÇÃO EM MECÂNICA DAS ROCHAS 
UVROS 
ABGE (1998) Geologia de Enge11haria. ABGE, São Paulo. 
14 
BIENIA WSKI, Z.T. (1989) Engineering rock mass dassifications. Wiley, N ew York. 251 p. 
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GOODMAN, R.E. (1989) Introd11clion lo rock mechanics. 2nd ed.Willey, N ew York. 562p. 
HOEK, E. (2000) Practical Rock E11gi11eering. http://www.rocscience.com/ roc/ Hoek/ 
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HOEK, E. & BRAY, J.W. (1981) Rock slope engineering. 3ed. Institution of Mining and 
Metallurgy, London. 402p. 
HOEK, E. & BROWN, E.T. (1980) U11dugro1111d excavalions i11 rock. Institution of .Mining 
and Metallurgy, London. · 
HOEK, E.; KAISER, P.K; BAWDEN, W.F. (1995) Sllj>port oj 11ndergro11nd excavalion in 
hard rock. Balkema, Rotterdam. 215p. 
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lhe Principies. Pergamon, Oxford. 444p. 
JAEGER, J.C. & COOK, N.G.W. (1979) Fundamtntals oj rock mechanics. 3 ed. Chapman 
& Hall, London. 
ROCHA, M. (1981) Mecânica das Rochas. LNEC, Lisboa. 445p. 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) 
PERIÓDICOS 
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Geolech11ical Testing]o11mal, American Society for Testing Materiais (ASTM). 
15 
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Pergamon Press, Ltd., Oxford. 
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Society of Civil Engineering (ASCE), New York. 
Rock Mechanics, Springer-Verlag, Viena. 
S oÚJs e Rochas, Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica 
(ABMS), Associação Brasileira de Geologia de Engenharia (ABGE), São Paulo. 
Undefl,ronnd Space, American Underground Association, Pergamon Press Ltd., Oxford. 
ANAIS DE CONGRESSOS 
EUROCK- ISRM Intemational Symposium. 
Congress of the lntemational Society for Rock Mechanics (ISRM). 
North American Rock Mechanics Symposium. 
US Rock Mechanics Symposium 
Simpósio Sulamericano de Mecânica das Rochas. 
Eventos específicos preparados por organizações como ISRM, !COI.D, CBMR/ ABMS, 
e outras. 
BIBLIOGRAFIA 
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de MELLO, V.F.B. & TEIXEIRA, A.H. (1966) Mecânica das rochas. Escola de Engenharia 
de São Carlos, São Carlos. 
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Relato Geral do Tema II. ln: SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES 
BARRAGENS, XI. Fortaleza, Ceará. 
GOODMAN, R.E. (1989) lntroduclio11 lo rock mecha11ics. 2nd ed.Willey, New York. 562p. 
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HUDSON, J.A. (1995) Rock properties, testing methods and site characterization. ln: 
HUDSON, J.A., BROWN, E .T., FAIRHURST, C. & HOEK, E. (eds.), 
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LONDE, P. (1987) The Malpasset Dam Failure. Engineering GeoÍO!J, v.24, p.295-329. 
MÜLLER, L. (1987) The Vajont catastrophe - A personal review. Engineenitg Geoloo, v.24, 
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ROCHA, M. (1981) Mecânica das rochas. LNEC, Lisboa. 44Sp. 
SHEPHERD, R. & FROST, J.D. (1995) Foil11m in Civil Engineering: Slmcl11ral Fo11ndalions 
and Geoenvironmmtal Cases S t11dies. ASCE, N ew York. 
STARFIELD, A.M. & BLELOCH, A.L. (1986) Blliiding modeis for conservation and wildlife 
managemmt. Macmillan Publishing Company, New York. 
Capítulo 1- Introdução (Versão 3) 16 
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Mechanics Modeling. I11ternational ]011rnal of Rock Mechanics and Mi11ing Sciences & 
Geomechanics Abstracts, v.25, n.3, p.99-106. 
TERZAGHI, K. (1943) Theoretical soil mechanics. John Wiley & Sons, N. York. 
, i 
Capítulo 2 
CARACTERIZAÇÃO DOS 
MACIÇOS ROCHOSOS 
2.1 - INTRODUÇÃO 
A caracterização de um maciço rochoso tem por objetivo criar um modelo (tipo de rocha, 
espessura das camadas, características das descontinuidades, água subterrânea, 
comportamento das rochas, etc.) que represente o maciço com o detalhamento capaz de 
fornecer as informações necessárias para a execução de uma dada obra de engenharia. 
Na elaboração deste modelo busca-se identificar zonas estruturalmente homogêneas, isto é, 
regiões do maciço que tenham características e respostas mecânicas semelhantes. De um 
modo não rigoroso pode-se dizer que se busca encontrar regiões que possuam a mesma 
classificação geomecânica. 
O processo de criação de um modelo (geométrico/estrutural/mecânico) para o maciço é 
realizado principalmente de forma indutiva, isto é, partindo de informações pontuais busca-
se estimar a composição global do maciçó. Este exercício de indução pode ter um 
acréscimo dedutivo com o auxílio do Geólogo que conheça um modelo para a origem 
geológica da região. 
Uma característica importante do levantamento de maciços rochosos é que os estudos de 
caracterização não se limitam à fase anterior à elaboração do projeto. Durante a execuçãoda obra e até posteriormente à sua construção são realizados ensaios para levantar novas 
informações, confirmando ou não o comportamento previsto. Sob determinada ótica, a 
instrumentação da obra pode ser considerada um tipo de ensaio "em escala real". 
As características do levantamento geológico dependem do tipo e importância da obra, do 
próprio maciço rochoso e da fase de projeto. Sem tomar como regra geral, pode-se, 
agrupar atividades de levantamento em: 
1) estudos preliniinares (compilação de dados pré-existentes, análise de mapas 
geológicos, fotos aéreas, imagens de satélite, visitas a campo, etc.); 
2) estudos para projeto (sondagens, investigações geofisicas, galerias, valas, 
levantamento estrutural, etc.); 
3) estudos durante a construção (instrumentação, ensaios in !itn, etc.). 
Nos maciços rochosos as propriedades de interesse de engenharia costumam apresentar 
grande variabilidade. O tratamento das informações apenas de maneira determinística, 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 18 
utilizando valores médios pode levar a resultados contra a segurança ou dimensionamentos 
anti-econômicos. A análise das propriedades através de ferramentas estatísticas e 
geoestatísticas são caminhos que vêm ganhando espaço. 
Uma discussão detalhada do levantamento de campo pode ser encontrada em ABGE 
(1998), HASUI & MIOTO (1992) e em GOODMAN (1976). Programação de estudos 
para implantação de barragens são detalhados por OLIVEIRA et al. (1970) e VAZ (1969). 
Etapas da caracterização geotécnica para implementação de túneis são descritas por DINIS 
da GAMA (1997). 
2.2 - DEFINIÇÕES 
A seguir serão apresentadas algumas definições de termos necessários para a descrição de 
um maciço rochoso. Estes termos são, em sua maioria, adaptados ou partilhados com a 
Geologia Estrutural. Uma visão mais aprofundada destes aspectos pode ser obtida em 
ABGE (1998), HASUI & MIOTO (1992). 
Um maciço rochoso (rock mass) pode ser definido, segundo a ISRM (1978), como um meio 
constituído de blocos de rocha intacta (meio continuo) separados fisicamente por 
descontinuidades Guntas [diáclases], falhas, estratificações, etc.), que podem conter ou não 
material de preenchimento. As propriedades mecânicas e hidráulicas do maciço serão 
governadas pelas propriedades da rocha intacta e também pelo número, posição, natureza e 
condições das descontinuidades. 
Descontinuidade é o termo geral para qualquer descontinuidade mecânica do maciço 
rochoso e que tenha nenhuma ou baixa resistência à tração. É o termo coletivo para a 
maioria das feições com origens em diferentes fenômenos geológicos, tais como planos de 
acamamento, planos de xistosidade, zonas de fraqueza e falhas. As descontinuidades dos 
maciços rochosos são o resultado de sucessivas solicitações mecânicas e térmicas sobre o 
maciço ao longo de sua história. Muitas delas podem ter suas características explicadas 
quantitativamente em bases mecânicas. 
Uma família de descontinuidades corresponde a um grupo de descontinuidades que 
ocorrem num arranjo paralelo ou semi-paralelo e que possuam características semelhantes. 
A Figura 2.1 ilustra uma seção de um maciço com duas famílias de descontinuidades. 
F1 
F2 
Figura 2.1- Maciço rochoso com duas famílias de descontinuidades. 
Junta é uma quebra de origem geológica na continuidade de um corpo de rocha ao longo 
da qual não houve nenhum deslocamento relativo visível, paralelo a seu próprio plano. 
Falha é uma fratura ou zona fraturada ao longo da qual houve um deslocamento" relativo 
visíve~ paralelo a seu próprio plano. As paredes podem ser estriadas e polidas, resultado 
dos deslocamentos cisalhantes (Figura 1.2). 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 19 
(a) Junta (b) Falha 
Figura 2.2 - Representação de uma junta e uma falha. 
As dobras são ondulações adquiridas por feições planares (camadas, bandamente) atra,-és 
de deformação não homogênea de massas rochosas (Figura 2.3). As dobras têm 
concavidade que podem se voltar para cima ou para baixo (HASUI & MIOTO, 1992). 
Figura 2.3 - Representação de uma dobra. 
Foliação é o termo que se aplica a determinadas feições planares que permeiam as rochas 
metamórficas. Corresponde a vários tipos de estruturas, dos quais uma das mais 
importantes é a Xistosidade, que é decorrente da orientação paralela de minerais, agregados 
minerais, ou objetos geológicos (por exemplo, seixos) de forma placóide ou achatada, ou de 
orientação planar de minerais alongados. A xistosidade em rochas de granulação muito fina 
recebe o nome de clivagem ardosiana. Em rochas gnáissicas, é chamada gnaissosidade. Tais 
feições podem se associar a dobras e, neste caso, ter disposição paralela ao plano axial 
(xistosidade plano-axial). 
Estratificação é o termo utilizado para descrever a estrutura produzida pela deposição de 
sedimentos em camadas (estratos), lâminas, lentes e outras unidades essencialmente 
tabulares. É um sinônimo de acamamento. 
2.3 - DESCRIÇÃO DAS DESCONTINUIDADES 
Como foi afirmado anteriormente, 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 métodos para 
a descrição de descontinuidades de maciços rochosos. A caracterização do maciço é 
realizada utilizando 1 O parâmetros: 
1) Orientação 
2) Espaçamento 
3) Persistência 
4) Rugosidade 
5) Resistência das Paredes 
6) Abertura 
7) Preenchimento 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 
8) Condições de Percolação 
9) Número de famílias 
10) Tamanho dos blocos 
20 
O levantamento destes 10 parâmetros é realizado em campo através da observação de 
afloramentos (seções expostas e representativas do maciço). Usualmente este levantamento 
é feito por um geólogo, com auxílio de uma bússola, martelo, e outros instrumentos 
portáteis. 
2.3.1 - Orientação 
A 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 (Figura 2.4). A detenninação da orientação é feita com o auxílio de bússola 
e clinômetro ou por fotogrametria. 
Direção do 
Mergulho ou 
Rumo do 
Mergulho 
(Dip Direction) 
Mergulho 
(Dip) 
Norte 
Figura 2.4 - Orientação de uma descontinuidade. 
A orientação das descontinuidades, em relação a uma estrutura de engenharia, controla as 
possibilidades de condiçõ~ de instabilidade e desenvolvimento de deformações excessivas. 
A importância da orientação cresce quando outras condições para grandes deformações 
estão presentes, tais como baixa resistência ao cisalhamento e um número suficiente de 
descontinuidades ou famílias de juntas que propiciem a ocorrência de um movimento. As 
orientações das descontinuidades detenninarão a forma dos blocos individuais ou dos 
mosaicos que formam o maciço rochoso. 
A orientação das descontinuidades é estudada usualmente através das chamadas projeções 
estereográficas. Inicialmente, toma-se uma esfera de referência, sendo que o plano passa 
pelo centro desta. A interseção entre o plano e a esfera define um árculo, a projeção deste 
árculo é chamada de "grande círculo". Tomando-se uma reta normal ao plano e que passe 
pelo centro da esfera de referência, a interseção desta reta com a esfera define um ponto 
chamado "pólo". Cada pólo corresponde a uma orientação de descontinuidade e, portanto, 
uma concentração de pólos define um conjunto de descontinuidades com, 
aproximadamente, mesma orientação (família de descontinuidades). Na Figura 1.5, estão 
indicados os elementos de uma projeção estereográfica no hemisfério inferior de urna 
esfera. 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (V crsão 3) 21 
Dependendo do critério de projeção são gerados os chamados diagramas de igual área ou 
igual ângulo. Uma discussão detalhada sobre o assunto pode ser encontrada em HASUI & 
MIOTO (1992) e em GOODMAN (1976). 
Paradefinir a orientação de uma família de descontinuidades são realizadas diversas leituras 
em campo, que podem ser representadas . em um único diagrama. Existem técnicas 
estatísticas para tratar estes dados permitindo definir orientações médias (Figura 2.6). 
Esfera de 
Grande círculo 
Figura 2.5 - Definição de grande círculo e pólo. 
" 
~ 
(a) Pólos obtidos em 
levantamento de campo 
(b) Contornos de densidade 
de pólo 
" 
(e) Pólos e grandes cirçulos 
médios das 3 familias de 
descontinuidades 
Figura 2.6 - Representação do tratamento estaústico de descontinuidades. 
Capítulo 2- Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 22 
2.3.2 - Espaçamento 
O espaçamento é a distância perpendicular entre descontinuidades adjacentes. Refere-se 
usualmente ao espaçamento médio ou modal de uma familia de juntas (Figura 2.T). 
O espaçamento das descontinuidades adjacentes condiciona o tamanho dos blocos 
individuais de rocha intacta. Um intenso fraturamento, caracterizado por um pequeno 
espaçamento, confere ao maciço características de meio contínuo e um comportamento 
mais próximo do comportamento dos materiais granulares, enquanto que para grandes 
espaçamentos teremos fundamentalmente caractensttcas de meio descontínuo 
(dependendo do tamanho da obra) e comportamento dependente das propriedades das 
descontinuidades (orientações, número de familias, resistências, etc.) e da rocha intacta. 
Estes efeitos estão relacionados com a persistência das descontinuidades. 
Como no caso da orientação, a importância do espaçamento aumenta quando outras 
condições para deformação estão presentes. 
Além das propriedades mecânicas o espaçamento tem grande influência na permeabilidade 
do maciço e nas características de percolação. 
~2 
Figura 2.7 - Espaçamento entre descontinuidades. 
2.3.3 - Persistência 
Persistência é a continuidade de uma descontinuidade conforme observada em um 
afloramento. Pode ser uma medida aproximada de sua extensão em área ou comprimento 
de penetração da descontinuidade. Se a descontinuidade acaba em rocha sã ou em outra 
descontinuidade então é denominada não persistente. Uma descontinuidade cujas 
extremidades não se encontram nos afloramentos, ou na área de influência da obra, é 
denominada persistente. A região da rocha intacta compreendida entre os extremos de 
descontinuidades subseqüentes é chamada de ponte rochosa. A persistência é considerada, 
para efeito de caracterização de descontinuidades, como um dos parâmetros de maior 
importância. Isso porque ela pode alterar substancialmente todas as propriedades-chave do 
maciço (resistência, deformabilidade e permeabilidade). No entanto, devido principalmente 
à limitação visual dos afloramentos, é muito dificil visualizar e quantificar a não persistência 
de descontinuidades. 
No entanto, há casos em que a não persistência de descontinuidades é notória e nesses 
casos é possível definir um grau de persistência utilizando, por exemplo, a equação 1.1. 
Capitulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 23 
Considerando o traço das descontinuidades ~. e o traço da ponte rochosa 4 conforme 
ilustrado na Figura 2.8, pode-se fazer uma definição bidimensional de persistência como: 
(2.1) 
Assim, uma descontinuidade será não persistente se k<1. Quanto menor o índice k, maior 
será a contribuição da rocha intacta nas propriedades da descontinuidade. 
//// 
//:.// 
Figura 2.8 - Representação bidimensional da persistência. 
Um exemplo prático desse procedimento foi feito por Müller, 1963 (apud Rocha, 1981), 
que analisando um maciço com descontinuidades não persistentes, similar ao esboço 
indicado na Figura 2.9, definiu o "grau de desenvolvimento das descontinuidades", k, como 
sendo a razão entre o somatório das áreas descontínuas e a área total. 
Figura 2. 9 - Definição do "grau de desenvolvimento das descontinuidades". 
O comportamento de um maciço com descontinuidades não persistentes é muito 
influenciado pelo imbricamento, ou seja, pela. forma como os blocos de rocha se 
"encaixam". Na Figura 2.10 estão representadas duas descontinuidades, uma persistente (a 
horizontal) e um não persistente (a vertical). É evidente que, na prática, para que a não 
persistência da descontinuidade vertical seja considerada é importante analisar o tamanho 
do imbricamento (ib) : se ib for pequeno (milimetros?) a não persistência não pode ser 
assumida. Regra geral, a não persistência pode ser admitida se o tamanho do imbricamento 
for compatível com o tamanho da obra. Ou seja, quanto maior a dimensão da obra maior 
deve ser o tamanho do imbricamento, para que a não persistência possa ser levada em 
conta. 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 24 
Figura 2.10 - lmbricamento. 
2.3.4 - Rugosidade 
A rugosidade é caracterizada pela medida das irregularidades da superficie da 
descontinuidade em relação ao plano médio da descontinuidade. Irregularidades em grande 
escala são chamadas ondulações. A rugosidade e a ondulação contribuem para a resistência 
ao cisalhamento. Essa contribuição é tanto maior quanto maior for a inclinação da 
irregularidade e quanto maior for o tamanho da irregularidade. O tamanho da 
irregularidade tem um papel similar ao imbricamento, já abordado no item anterior. 
Patton (1966) mostra que as juntas rugosas, com irregularidades que mergulham contra a 
direção do cisalhamento e que tenham inclinação i (em relação ao plano médio da 
descontinuidade), têm um ângulo de atrito igual ao ângulo de atrito da junta plana acrescido 
do ângulo de inclinação da irregularidade (z). Nota-se, portanto, que o ganho na resistência 
ao cisalhamento de descontinlJ,Ídades consideradas rugosas pode ser extremamente 
significativo. 
Barton e Choubey (1976) apresentam um modelo para previsão da resistência ao 
cisalhamento de juntas rugosas utilizando a equação: 
(2.2) 
onde, CJn é a tensão normal efetiva atuante na junta,JRC é o coeficiente que leva em conta a 
rugosidade da descontinuidade, ]CS é a resistência à compressão das paredes (próximo 
parâmetro a ser descrito) e cl>b é o ângulo de atrito básico (obtido de ensaios de resistência 
residual ao cisalhamento em superficies planas não alteradas da rocha) . 
2.3.5 - Resistência das paredes 
Resistência das paredes refere-se à resistência à 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. Se as paredes estão em 
contato, a resistência das paredes é uma importante componente da resistência ao 
cisalhamento. 
A resistência pode ser estimada pelo Esderômetro de Schmidt ou através de testes 
manuais, conforme descritos na Tabela 2.1. 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (V crsão 3) 25 
Tabela 2.1- Ensaios expeditos para estimar a resistência de materiais geológicos 
(ISRM, 1978). 
Grau Descrição Identificação de Resistência à compressão 
campo mmpksaproximada(MP~ 
SI Argila muito mole Facilmente penetrada < 0,025 
várias polegadas com o 
pulso. 
S2 Argila mole Facilmente penetrada 0,025-0,05 
várias polegadas com o 
dedo polegar. 
S3 Argila firme Pode ser penetrada várias 0,05- 0,10 
polegadas com o dedo 
polegar com moderado 
esforço. 
S4 Argila rígida Prontamente amolgado 0,10-0,25 
pelo dedo polegar mas 
penetrada somente com 
grande esforço. 
S5 Argila muito rija Prontamente recortada 0,25-0,50 
pela unha. 
S6 Argila dura Recortada com > 0,50 
dificuldade pela unha. 
RO Rocha Marcada pela unha 0,25 - 1,0 
extremamente fraca 
R1 Rocha muito fraca Esmigalha-se sob 1,0 - 5,0 
impacto da ponta do 
martelo de geólogo, 
pode ser raspada pelo 
canivete 
R2 Rocha fraca Raspada com dificuldade 5,0 - 25 
pelo canivete, marcada 
com firme pancada do 
martelo de geólogo 
R3 Rocha Não pode ser marcada 25- 50 
medianamente pelo canivete. Pode ser 
resistente fraturada por um único 
golpe de martelo 
R4 Rocha resistente Requer mais de um 50 - 100 
golpe para fraturar-seR5 Rocha muito Requer muitos golpes 100 - 250 
resistente para fraturar-se 
R6 Rocha Podem ser apenas > 250 
extremamente lascadas pelo martelo 
resistente 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (V crsão 3) 26 
2.3.6 - Abertura 
Abertura é a distância perpendicular entre as paredes adjacentes de urna descontinuidade, 
cujo espaço intermediário é preenchido por ar ou água (Figura 2.1 1). Mesmo as 
descontinuidades mais fechadas desempenham um importante papel na condutividade 
hidráulica do maciço. 
Figura 2.11 Abertura de uma descontinuidade. 
2.3. 7 - Preenchimento 
Preenchimento é o material que separa as paredes adjacentes de uma descontinuidade e que 
usualmente é mais fraco que a rocha que lhe deu origem. A distância perpendicular das 
paredes é chamada de "espessura" preenchida, distinguindo-se da "abertura" de uma feição 
falhada ou aberta. 
O comportamento fisico de uma descontinuidade preenchida depende de vários fatores, 
destacando-se: espessura, tipo de material, presença d'água, condições de permeabilidade, 
carreamento, condições de carreamento e pontos de contato. 
2.3.8 - Condições de Percolação 
As condições de percolação referem-se ao fluxo d'água e umidade livre, visíveis em 
descontinuidades individuais ou no maciço rochoso corno um todo. 
A percolação d'água através do maciço rochoso resulta principalmente do fluxo através de 
descontinuidades (permeabilidade secundária). No caso de certas rochas sedimentares a 
permeabilidade primária do material rochoso pode ser significante, já que parte da 
percolação ocorre através dos poros. 
2.3.9 - Número de Famílias 
O número de famílias é a quantidade de famílias de descontinuidades que compõem um 
sistema de descontinuidades. O maciço rochoso pode conter também descontinuidades 
individuais. 
O comportamento mecâruco do maciço é essencialmente afetado uma vez que o número 
de famílias determina o quanto o maciço se deforma sem provocar o fraturamento da 
rocha intacta. 
2.3.10 -Tamanho dos Blocos 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 27 
O tamanho dos blocos é a dimensão dos blocos de rocha que resultam da orientação das 
famílias de descontinuidades que se interceptam e do espaçamento das famílias individuais. 
Descontinuidades individuais podem também influenciar o tamanho e a forma dos blocos. 
2.4 - TÉCNICAS DE PROSPECÇÃO 
Além da descrição das descontinuidades observadas nos afloramentos outros trabalhos são 
realizados para a caracterização do maciço rochoso. Podem ser abertos poços e valas para 
vistoria do maciço e conseqüente obtenção de novos afloramentos. Dependendo das 
dimensões da obra, galerias subterrâneas podem ser abertas também. 
As sondagens mecânicas e as técnicas de prospecção geofisica são dois importantes 
instrumentos de caracterização do maciço, e sua utilização será discutida em detalhes a 
seguir. Ensaios de caracterização hidráulica também podem ser compreendidas como 
técnicas de prospecção, entretanto estes serão tratados apenas no Capítulo 9. 
2.4.1 - Sondagens mecânicas 
A preocupação fundamental na execução de sondagens deve ser a obtenção de 
testemunhos representativos de todas as camadas e descontinuidades atravessadas. Para 
isto a técnica habitual consiste na abertura de furos por meio de amestrador duplo, com 
coroa diamantada. A perfuração é feita pela coroa mediante a rotação do amestrador sob a 
ação da força transmitida pelas hastes de sondagem. Os detritos são retirados do furo 
mediante circulação de_ água a qual exerce função primordial na própria operação de 
desagregação da rocha, em especial no resfriamento da coroa. O testemunho da rocha vai 
entrando no retentor ficando ajustado ao seu tubo interior, o qual não tem movimento de 
rotação pois os tubos exterior e interior do retentor estão ligados na parte superior por 
meio de rolamento esfera. Os amestradores ou barriletes têm habitualmente entre 1 e 2 
metros. Para extrair o testemunho basta retirar as hastes do furo pois existe junto da coroa 
um anel aberto com seção em cunha, designado mola retentora, que se encrava e puxa o 
testemunho, partindo-o na base, se a rocha não estiver fraturada (COULON, 1992). Os 
equipamen tos para realização das sondagens rotativas estão ilustrados na Figura 2.12. 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 
----
I ' . . 
~ 
.. . 
--.--..m-...-.-
-· .. 
. . cmo..•....n 
... ·:1--.... -
Figura 2.12 - Equipamento de sondagem rotativa. 
28 
A recuperação de testemunhos de sondagem rotativa pode fornecer importantes 
informações sobre as descontinuidades. Uma perfuração planejada e executada 
cuidadosamente, com obtenção de testemunho, seguida de uma descrição detalhada e da 
inspeção do furo, pode fornecer informações aproximadas sobre muitos dos dez 
parâmetros sugeridos pela ISRM para descrição das descontinuidades. 
O RQD (Rock Q11ali!J Designation) é um índice que estima o grau de compartimentação do 
maciço, sendo calculado como a percentagem de recuperação de peças com mais de 1 Ocm 
(ver Figura 2.13). O RQD deve ser detemúnado em testemunhos com dimensões mínimas 
NX (54mm de diâmetro). 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 
-------1 
L=38 cm 
-------~ 
L=17 cm 
-------1 
L=O 
E o 
o o 
CN 
li 
nenhum pedaço na linha ]i 
central maior que 10 cm .S 
-------~ 
L=20 cm 
-------1 
L=43 cm 
(----- ---~ L=Ocm sem recuperação ________ J 
Quebra mecânica durante 
o processo de cravação 
.s 
e: 
Cll 
E 
·e: 
o. 
E 
o 
(.) 
Í:L > 10 cm 
RQD= IL X 100% 
38+ 17 +20+43 
RQD= 200 X 100% 
RQD=59% 
Figura 2.13- Cálculo do RQD. 
29 
A orientação dos testemunhos · de sondagens pode ser feita por um procedimento que 
assinale, no topo da primeira amostra de uma manobra, uma marca de referência. 
No LNEC foi desenvolvida uma técnica conhecida como amostragem integral. Uma haste 
é fixada com calda de cimento em um furo de pequeno diâmetro (por exemplo EX -
37,71/21,46mm), que é sobrefurada em um diâmetro maior (por exemplo HX -
99,23/76,20mm). Desta forma possibilita-se a retirada de um testemunho com o mesmo 
comprimento do trecho integral perfurado, incluindo zonas com fragmentos e vazios, que 
aparecerão preenchidos com calda, preservando a posição relativa original. 
2.4.2 - Prospecção geofísica 
As técnicas de prospecção geofisica (sísmica, elétrica, resistividade) podem ser um 
importante instrumento na caracterização do maciço rochoso. Particularmente, a 
prospecção sísmica, através do estudo da propagação das ondas, permite estimar a 
distribuição espacial dos materiais, além de fornecer informações sobre deformabilidade 
do maciço. Várias configurações de fonte e receptores (geofones), conectados . a 
sismógrafos, podem ser utilizadas na prospecção sísmica como, por exemplo, a ilustrada na 
Figura 2.14. 
Geofones (receptores) 
~~ 
Fonte 
l,; 
Figura 2.14- Prospecção sísmica. 
Capítulo 2- Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 30 
O ensaio pode ser realizado com outras configurações como na técnica "dow11-hole" onde o 
geofone é colocado em um furo de sondagem e a fonte fica na superfície. A técnica "11p-
hole" apresenta uma configuração inversa. A fonte situa-se dentro do furo e o geofone na 
superfície. Na técnica "cross-hole" tanto fonte como geofones são colocados em furos de 
sondagem (Figura 2.15). 
Fonte Fonte 
/ 1.c/ ~ Geofone 
Haste 
(a) Ensaio "down-hole" (b) Ensaio "up-hole" 
l/ Fonte 
\ 
Haste 
(e) Ensaio "cross-ho/e" 
Figura 2.15 - Diferentes configurações de ensaios sísmicos. 
BIBLIOGRAFIA 
ABGE (1998) Geologia de E11ge11haria. São Paulo, ABGE. 587p. 
COULON, F.K. (1992) Mecânica das rochas. UFRGS, Porto Alegre. 97p. 
DEERE, D.U. & DEERE, D.W. (1988) The rock quality designation (RQD) índex in 
pratice. In: Rock classi.ftcatio11forengi11eerigp111poses, ASTM STP 984. p.91-101. 
DOURADO, J.C. (1984) A 11tilizafào da sísmica 11a detem1ittafàO de parâmetros elásticos de maciços 
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DINISda GAMA, C. (1997) O relatório geotécnico e sua importância para o projecto de 
túneis. ln: CONGRESSO NACIONAL DE GEOTECNIA, Lisboa. p.897-904. 
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HASUI, Y & MIOTO, J .A. (1992) Geologia estrt1il1ral aplicada. ABGE/Votorantim. 459p. 
Capítulo 2 - Caracterização dos Maciços Rochosos (Versão 3) 31 
ISRM (1978) Métodos para a descrição q11a11titativa de dtsco11tinuidades tm maciços rochosos. Tradução 
n.12, ABGE,1983, São Paulo. 132p. 
OLIVEIRA, A.M.S.; GUIDICINI, G. & NIEBLE, C.M. (1970) Quadro-roteiro de 
trabalhos em geologia aplicada a barragens. ln: SEMANA PAULISTA DE 
GEOLOGIA APLICADA, 2, São Paulo. v.2, p.409-413. 
ROCHA, M. (1981) Mtcá11ica das rochas. LNEC, Lisboa. 445p. 
VAZ, L.F. (1969) Estudo geológico de barragens. ln: SEMANA PAULISTA DE 
GEOLOGIA APLICADA, 1, São Paulo. v.lll, p.V1-V22. 
Capítulo 3 
ESCAVAÇÕES 
SUBTERRÂNEAS EM ROCHA 
3.1 - INTRODUÇÃO 
As obras subterrâneas podem ser classificadas em dois grandes grupos: 1) aquelas cuja 
localização é imposta pelo serviço que desempenharão, sendo traçadas a partir de pontos já 
integrados na infra-estrutura existente, não obstante o tipo de terrenos em que ocorram; e 
2) as que são definidas em conformidade com o conhecimento geológico geotécnico do 
subsolo, visando a realização de operações específicas, o caso das explorações mineiras, dos 
depósitos radioativos, das instalações militares e dos túneis para geração de energia elétrica 
(DINIS da GAMA, 1997). 
Quando comparado com obras ClVlS convencionais, os túneis apresentam diversas 
peculiaridades. Em um túnel, o maciço não é apenas carregamento, mas também é parte da 
estrutura. Em uma concepção "antiga" de projeto o revestimento seria a estrutura e resista 
ao peso do maciço (Figura 3. la). Em uma concepção mais atual o revestimento e maciço 
são a estrutura, o que implica em um projeto mais econômico (Figura 3.lb). 
(b) Conce pçao atual 
Figura 3.1 - Concepções de dimensionamento do suporte de um túnel. 
Vários aspectos diferenciam o projeto de uma estrutura convencional de um projeto de 
túnel. Nas estruturas convencionais os métodos de cálculo estão bem sedimentados, não há 
diferenças conceituais significativas entre diferentes métodos, além do que existe um bom 
conhecimento da geometria e comportamento do material. No projeto de túneis os existem 
vários métodos de cálculo com diferenças substanciais de conceitos, e são de razoável 
dimensão as incertezas em relação a geometria e comportamento do material. Um outro 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 3J 
demento de complicação é que um túnel é essencialmente um problema tridimensional, 
onde as soluções unidimensionais e bidimensionais são aplicáveis com grandes restrições. 
Na construção de um túnel boa parte da atividade de projeto pode ser desenvolvida 
durante a própria construção. O tempo dedicado às atividades de projeto, antes do irúcio 
da construção, normalmente, não é maior do que o tempo dedicado às mesmas atividades 
durante a fase de construção (Figura 3.2). Isso significa que há uma profunda interação 
entre projeto e construção de obras geotécnicas. O projeto e a construção de um túnel são 
atividades que sofrem muitas retro-alimentações. Cada etapa da atividade Qevantamento 
geológico, investigações geotécnicas, escolha do método construtivo, etc.) pode ser 
revisada e atualizada antes ou durante a construção, conforme ilustrado na Figura 3.3. A 
intensa retro-alimentação notável em uma construção deve-se em grande parte ao devado 
grau de incerteza existente neste tipo de projeto, estas incertezas são diminuídas com o 
avanço das atividades de investigação, projeto, construção e instrumentação . 
.E 
CI> ·e 
Q. 
CI> 
'1:) -------
CI> 
~ ;.... 
-o 
:~ 
<( 
Concepção e 
Dimensionamento 
- - - - Túneis 
Construção 
Estruturas convencionais 
Figura 3.2 - Desenvolvimento de atividades de projeto no projeto e construção de 
túneis. 
Geologia 
1 nvestigações 
geotécnicas 
Experiência, 
estimativa 
Modelo mecânico 
Conceito de segurança, __. 
hipóteses de ruptura 
Estimativa do risco __.,.. 
Instrumentação 
de campo 
Determinação do estado__. 
atual de segurança 
Investigações de campo 
e escolha do trajeto 
Características do maciço: 
Tensões in situ. resistência. agua. 
descontinuidades. anisotropia. etc. 
Escolha do método de escavação 
e elementos estruturais. 
Análise estática do sistema. 
Aspectos contratuais 
Construção do túnel. 
·seguro· 
Nã 
Figura 3.3 - Etapas da construção de um túnel. 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 34 
3.2 - MÉTODOS CONSTRUTIVOS 
Os métodos construtivos de escavações subterrâneas em rocha podem ser separados em 
dois grandes grupos: 
1) Métodos de escavação mecanizada e 
2) Métodos de desmonte com explosivos (drill-a11d-blas~. 
No primeiro estão os métodos que utilizam máquinas para a realização da escavação. Existe 
uma grande variedade de equipamentos com diferentes caracteósticas para os mais diversos 
tipos de maciço, algumas destas máquinas estão ilustradas na Figura 3.4. 
Os métodos de escavação mecanizada utilizam as chamadas tecnologias de escavação 
mecânica em base conúnua. Estas tecnologias vêm se desenvolvendo bastante e tomando-
se imbatíveis em determinadas situações. As máquinas de escavação em base conúnua 
podem ser classificadas em dois grupos: 
1) Máquinas de escavação a seção plena, as TBM (T111111el Bori11g Machine) utilizadas 
em escavação horizontal e as chamadas de raise borers utilizadas em escavação 
vertical. 
2) Máquinas que atacam uma parte da face de cada vez, com uma cabeça cortante 
(roadheadm) montada na ponta de uma lança móvel. Três tipos de roadheaders 
podem ser identificados: tipo cabeça perfurante, tipo cabeça escarificante e tipo 
rompedor hidráulico. 
(a) TBM (Tunnel Boring Machine) (b) Rompedor hidráulico 
(e) Fresa ou Roadheader 
Figura 3.4 - Equipamentos de escavação mecânica em base contínua. 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 35 
Atualmente existem TBMs com capacidade de escavação inclusive em rochas duras. A 
escavação com TBMs em maciços mais brandos ou bastante fraturados, podem exigir que 
o TBM disponha de couraças, similar aos shields (máquinas usadas para escavação de túneis 
em solos) que protegem a região em escavação ainda não revestida. 
Os TBMs possuem uma face cortante que desagrega o material na frente de escavação 
sendo pressionada por uma bateria de macacos hidráulicos que se apoiam no revestimento 
já instalado. Neste momento a couraça protege a região ainda não revestida. Em seguida os 
macacos são recolhidos e é instalado um novo segmento de revestimento e o ciclo do 
processo é reiniciado. A Figura 3.5 ilustra a seqüência de escavação de um TBM com 
couraça. 
t Face cortarte •rrunk• Cauda r ;4 t t 1 
I· t + )( ·I 
nçp--- 1 1 t 1 
Local do novo anel após empurrlo 
8 
Figura 3.5 - Seqüência de avanço de um TBM com couraça. 
Historicamente, os métodos de desmonte com explosivos (drill-and-blas!) têm sido a regra 
para escavações em larga escala em maciços competentes. As cargas explosivas são 
colocadas no interior de furos feitos no maciço rochoso, buscando-se compatibilizar as 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 36 
especificações dos explosivos com as características geomecânicas do maciço a ser 
escavado. 
Atualmente o fenômeno de fragmentação por detonação nos maciços não fraturados é 
compreendido como formado de duas fases: uma dinâmica e uma semi-estática. Na fase 
dinâmica a carga dentro do furo deflagra uma reação. Uma onda de choque de compressão 
é transmitida à parede do furo, e se desloca em expansão radial e axial no maciço rochoso, 
até encontrar uma superficie livre ou um meio de impedância diferente. A partir deste 
ponto a onda se divide em duas: uma de compressão secundária e outra de reflexão. A 
onda de reflexão pode apresentarpulsos de compressão ou tração. Durante a fase dinâmica 
quatro tipos de fraturamento podem ser identificados: a) fraturas radiais oriundas das 
tensões de tração perpendiculares aos pulsos de compressão; b) fraturas tangenciais por 
ação cisalhante oriundas de deformações diferenciadas; c) fraturas paralelas à face livre, por 
ação das tensões de tração produzidas pelas ondas refletidas na interface rocha-ar; d) 
fraturas originadas pela ação combinada de esforços. Convém salientar que, apesar da 
importância da fase dinâmica, a sua contribuição energética na fragmentação do maciço 
rochoso gira em tomo de apenas 3 a 5% da energia total. Entretanto, sem a sua presença, 
para maciços não fraturados, ficaria impossível a fragmentação somente pela ação da fase 
semi-estática (ROLIM, 1993). 
Durante a fase semi-estática, os gases provenientes da detonação, ao percorrer as fendas de 
tração ou micro-fissuras oriundas da fase dinâmica, agindo por ação de cunha, propagam 
essas fraturas, separando parte do maciço em fragmentos de rocha. A medida que os gases 
são liberados, ocorre o lançamento dos blocos, produzindo novas fraturas por ação de 
requebramento e choque entre blocos, consumando-se o desmonte (ROLIM, 1993). 
Conhecido o fenômeno de fragmentação é fácil perceber que a geometria dos furos e a 
seqüência de detonação são dois fatores definidores do resultado do desmonte. Duas 
formas típicas para disposição dos explosivos na escavação de um túnel, em cunha e em 
paralelo, são ilustradas na Figura 3.6. 
Avanço Avanço .._._ .._._ 
~ . 17 
. 1i • 15 • 11 
• s • .s .; 
. s . 3 
. •s ,. • 's . 2 . 2 •'ª 
. 
•'ª . s 
•' 13 10 12 • 9 . ; • 
• 3 • 
, 
• 
, • • • ... 2• 1 3 ••• . s •' • s • •s• 
. 2 
, 8 • 8 • • .-
•'ª • 12 • 11 • 13 .8 . s . 3 .s 
.s 4 • •• . s •'ª .•s •'ª 
oo~~~~~ ~~~~~~ 
Figura 3.6 - Formas típicas de disposição dos explosivos na escavação de um túnel. 
Os métodos onde a mecanização não é a técnica principal da escavação atendem a várias 
denominações: NA TM (Novo Método Austríaco de Túneis - New A11stria11 T111111elli11g 
MethodJ, RSST (Rapid Shotmte S11pported T111rnelling MethodJ, métodos de convergência-
confinamento, etc .. Existindo ainda tecnologias mistas como NMT (Non11tgia11 Method of 
T111111ellin~. Dentre estas diversas denominações o NA TM merece um destaque por dois 
motivos: 1) ser referência para escavações de túneis no Brasil, e 2) representar uma série de 
princípios que permitem a execução da obra de forma mais econômica. 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas cm Rocha (V crsão 3) 37 
A definição do NATM (e até mesmo a sua existência enquanto método), como pode ser 
observado em GOLSER (1996), é matéria controversa. A Sociedade Austríaca de Pesquisas 
Rodoviárias define o NA TM da seguinte forma: 
"O Novo Método Austríaco de Túneis (NATM) segue um conceito segundo o qual 
o maciço (rocha ou solo) circundando a escavação toma-se um elemento de 
suporte da escavação, através da ativação, dessa parte do maciço, como se fosse um 
anel de suporte." 
O NA TM exige, ainda, que alguns procedimentos sejam implementados, visando 
uma construção segura e eficiente: 
• considerações das características geomecânicas do maciço, 
• instalação de medidas de suporte adequadas no momento correto, evitando 
estados de tensão ou de deformação indesejáveis, 
• arco invertido estaticamente efetivo executado no momento adequado, 
emprestando ao anel de suporte a função estática de um tubo fechado 
• otimização da resistência do revestimento em função das deformações 
permitidas, 
• observação instrumental também para o controle desta otimização. 
Nas escavações com desmonte por explosivos podem ser detectados vários elementos 
relacionados com a seqüência de escavação adotada (calota, bancada, frente de escavação, 
atraso do suporte, etc.). Estes elementos são ilustrados na Figura 3.5. Uma discussão mais 
detalhada sobre seqüências construtivas é apresentada no item 3.2.2. 
ncoragens 
Calota Bancada 
provisório 
Figura 3. 7 - Elementos da seqüência construtiva em uma escavação por desmonte. 
Uma ·série de equipamentos auxiliares está usualmente presente em uma escavação por 
desmonte. Retro-escavadeira e martelete pneumático são alguns destes equipamentos. 
Nos últimos anos, os condicionantes ambientais, tecnológicos e econômicos vêm abrindo 
espaço ao desenvolvimento de outras tecnologias de escavação. O desmonte hidráulico por 
. exemplo, que é realizado através de jatos d'água sob alta pressão que fragmentam a rocha. 
A aplicação desta técnica é limitada pela resistência do material. Com um jato d'água de 
69.MPa é possível cortar uma rocha com resistência a compressão de 130tv!Pa. Já foram 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 38 
desenvolvidos jatos d'água com pressão de impacto de mais de 13001V!Pa. Este tipo de 
tecnologia vem também sendo utilizada em associação a escavação mecânica, como em 
wna freza, por exemplo. 
3.2.1 - Tipos de suporte 
Os principais tipos de suporte aplicados em escavações subterrâneas são: 
1) concreto projetado, 
2) concreto moldado, 
3) elementos pré-moldados, 
4) ancoragens (chwnbadores, tirantes), 
5) telas metálicas 
6) cambotas. 
Além do suporte propriamente dito diversas técnicas de melhoria de maciços podem ser 
utilizadas nas escavações subterrâneas como: injeção de cimento, congelamento, enfilagem, 
pré-corte, etc .. 
Concreto projetado é o nome genenco dado ao concreto aplicado pneumaticamente e 
compactado dinamicamente sob altas velocidades. A flexibilidade da aplicação do concreto 
projetado o tem tomado um dos principais elementos de suporte de escavações 
subterrâneas. O uso do concreto projetado em escavações subterrâneas foi pioneiro em 
obras civis, sendo atualmente utilizado também no suporte de escavações "permanentes" 
em minas. A Figura 3.8 ilustra os equipamentos utilizados na projeção do concreto. 
(a) Concreto projetado a seco 
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(b) Concreto projetado via úmida 
Figura 3.8 - Equipamentos de concreto projetado. 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versio 3) 39 
O concreto moldado é utilizado em escavações subterrâneas de obras c1vts como 
revestimento definitivo (Figura 3.9). Elementos de concreto pré-moldado também podem 
ser utilizados (Figura 3.10). 
(a) Forma 
' Parafuso 
de fixação 
1 a. Concretagem 
(b) Esquema de concretagem 
Figura 3.9- Concreto moldado para túneis. 
SEGMENTO CHAVE 
(a) Montagem manual (b) Montagem mecânica 
Figura 3.10 - Concreto pré-moldado como suporte de túneis. 
As ancoragens são elementos lineares de suporte que atuam comprimindo o maciço nas 
suas imediações e por conseqüência mobilizam a resistência do maciço por confinamento. 
Desta forma mesmo que as ancoragens atuem somente numa porção do maciço pode 
ocorrer uma superposição de efeito de confinamento dando a essa porção uma excelente 
solidez, como pode ser observado no modelo ilustrado na Figura 3.tla. Dependendo da 
situação as ancoragens podem ser utilizadas em associação a telas metálicas, que teriam o 
papel de impedir o movimento de pequenos blocos de rocha entre duas ancoragens (Figura 
3.1 tb). As ancoragens também podem ser utilizadas para combater instabilidades 
estruturais localizadas. 
Capítulo 3 - Escavações Subterrâneas em Rocha (Versão 3) 40 
(a) Modelo de funcionamento para as 
ancoragens em um maciço fraturado (b) Ancoragem com tela metálica 
Figura 3.11- Funcionamento das ancoragens e ancoragem com tela. 
Quando uma ancoragem exerce compressão sobre o maciço ela é dita ativa e recebe a 
denominação de tirante. Na situação onde para a ancoragem começar a trabalhar é 
necessário que o maciço apresente algum movimento e mobilize a resistência da ancoragem 
ela é dita passiva e recebe a denominação de chumbador. 
Existem diversos tipos de ancoragem, que funcionam por diferentes mecanismos. Um 
primeiro tipo é um tirante com coquilha expansiva, cuja ancoragem é fixada 
mecanicamente (Figura 3.12).