Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
APOSTILA DE GEOLOGIA + ROTEIRO PARA AS AULAS PRÁTICAS DE MINERAIS E ROCHAS Prof. Eng. Mateus Amarante Constancio CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Campinas 2013 2 SUMÁRIO p. 1. Minerais ................................................................................................................... 5 1.1. Alguns conceitos básicos: .................................................................................. 5 1.2. Propriedades a serem observadas .................................................................... 5 1.2.1. Propriedades físicas .................................................................................... 5 1.2.1.1. Clivagem e fratura ................................................................................ 5 1.2.1.2. Dureza .................................................................................................. 6 1.2.1.3. Tenacidade ........................................................................................... 6 1.2.1.4. Peso Específico ou Densidade Relativa ............................................... 6 1.2.2. Propriedades que dependem da luz ............................................................ 7 1.2.2.1. Brilho .................................................................................................... 7 1.2.2.2. Cor ........................................................................................................ 7 1.2.2.3. Traço .................................................................................................... 7 1.2.3. Magnetismo ................................................................................................. 7 1.2.4. Propriedades químicas ................................................................................ 7 1.3. Procedimentos para identificação ...................................................................... 8 2. Rochas ..................................................................................................................... 9 2.1. Rochas ígneas ou magmáticas .......................................................................... 9 2.1.1. Formas de ocorrência ............................................................................... 10 2.2. Rochas Magmáticas Procedimento de Classificação: ................................. 11 2.3. Rochas Ígneas mais empregadas na engenharia civil ..................................... 13 2.4. Rochas sedimentares ...................................................................................... 13 2.5. Rochas Sedimentares Procedimento de Classificação: .............................. 15 2.6. Rochas sedimentares mais empregadas na engenharia civil .......................... 18 2.7. Rochas metamórficas ...................................................................................... 19 2.8. Rochas metamórficas Características a serem observadas nas amostras .................................................................................................................... 20 2.8.1. Estrutura .................................................................................................... 20 2.8.2. Textura ...................................................................................................... 21 2.8.3. Composição Mineralógica ......................................................................... 21 2.8.4. Classificação ............................................................................................. 21 2.9. Rochas metamórficas mais empregadas na Engenharia Civil ......................... 22 3 3. Caracterização geológico-geotécnica dos maciços rochosos ................................ 22 3.1. Litologia ............................................................................................................ 23 3.2. Estado de alteração ......................................................................................... 23 3.3. Coerência ......................................................................................................... 24 3.4. Resistência....................................................................................................... 25 3.5. Descontinuidades ............................................................................................. 25 3.5.1. Orientação ................................................................................................. 26 3.5.2. Número de famílias ................................................................................... 26 3.5.3. Persistência ............................................................................................... 26 3.5.4. Alteração das paredes das descontinuidades ........................................... 26 3.5.5. Rugosidade ............................................................................................... 27 3.5.6. Abertura .................................................................................................... 27 3.5.7. Preenchimento .......................................................................................... 28 3.5.8. Espaçamento ............................................................................................ 28 3.5.9. Grau de fraturamento ................................................................................ 28 4. Classificação de maciços rochosos ....................................................................... 29 4.1. Rock Quality Designation – RQD ..................................................................... 30 4.2. Classificação de Barton – Sistema Q ............................................................... 31 4.3. Classificação de Bieniawski – Sistema RMR ................................................... 35 4.4. Modelos Geomecânicos ................................................................................... 37 5. Sondagem Rotativa ............................................................................................... 38 5.1. Definição e equipamentos básicos ................................................................... 38 5.2. Medida do nível d’água .................................................................................... 42 5.3. Orientação dos testemunhos ........................................................................... 42 5.4. Recuperação de testemunhos ......................................................................... 42 5.5. Amostragem integral ........................................................................................ 43 5.6. Sondagem a Rotopercussão ............................................................................ 44 5.7. Ensaios em furos de sondagem rotativa .......................................................... 44 5.7.1. Ensaio de perda de água sob pressão ...................................................... 45 5.7.2. Perfilagem ótica (videoscopia) .................................................................. 46 6. Ensaio de envelhecimento em rochas ................................................................... 47 7. Intemperismo + solos ............................................................................................. 47 7.1. Solos quanto à origem ..................................................................................... 48 7.2. Solos quanto à granulometria .......................................................................... 49 4 7.3. Classificação táctil - visual dos solos ............................................................... 51 8. Sondagem a Percussão .........................................................................................57 8.1. Introdução ........................................................................................................ 57 8.2. Objetivo ............................................................................................................ 60 8.3. Definições importantes ..................................................................................... 60 8.4. Normas ............................................................................................................ 61 8.5. Equipamentos básicos e equipes..................................................................... 61 8.6. Quando interromper a sondagem .................................................................... 61 8.7. Quantidade de furos de sondagem a executar por m2 de área a construir (projeção a construir) – NBR 8036 .............................................................. 62 9. Hidrogeologia ......................................................................................................... 64 9.1. Ciclo Hidrológico .............................................................................................. 64 9.1.1. Escoamento e Infiltração ........................................................................... 65 9.2. A água subterrânea .......................................................................................... 65 9.3. Aquíferos .......................................................................................................... 66 9.4. Dinâmica das águas subterrâneas A permeabilidade dos solos ................. 67 10. Mapas e perfis geológicos ..................................................................................... 70 10.1. Aspectos de interesse: ..................................................................................... 70 10.2. Perfil Topográfico ............................................................................................. 70 10.3. Mapas .............................................................................................................. 71 10.4. Mapas Geológicos ........................................................................................... 72 10.5. Tipos de Mapas Geológicos ............................................................................. 73 10.6. Simbologia para Representação de Solos e Rochas segundo a NBR- 13441 75 11. Bibliografia Básica ................................................................................................. 77 12. Anexos ................................................................................................................... 77 5 1. Minerais 1.1. Alguns conceitos básicos: MINERALOGIA É a ciência que estuda os minerais. MINERAL É toda a substância inorgânica, de ocorrência natural, com composição química definida e que possui estrutura cristalina tridimensional ordenada. CRISTAL É quando o mineral se apresenta com formas geométricas naturais, circundadas por superfícies planas e polidas, as quais são a expressão externa do arranjo regular interno dos átomos e íons. De uma maneira geral os minerais podem se formar por: resfriamento magma, resfriamento de soluções ou gases magmáticos, evaporações de soluções salinas, reações entre substâncias e intemperismo. Para a identificação de mineral, dispõe-se de vários processos, por meio dos quais se podem determinar, seja a estrutura cristalina seja a composição química. Entre esses métodos podem ser citados: cristalografia por difração de raios x, microscópica, conjugados com análise química. São, todavia, processos requintados, demorados e dispendiosos. Para o reconhecimento dos minerais mais comuns que entram na composição das rochas, existem elementos mais simples, os quais dependem das suas propriedades físicas e químicas. Os minerais já estudados cristalograficamente têm suas propriedades físicas e químicas catalogadas em tabelas facilmente manuseáveis. Assim, observando um conjunto de propriedades de um mineral, pode-se localiza-lo com relativa segurança nessas tabelas. 1.2. Propriedades a serem observadas 1.2.1. Propriedades físicas 1.2.1.1. Clivagem e fratura Clivagem: um mineral apresenta clivagem, quando ao romper-se sob a ação de uma força, apresenta 2 ou mais superfícies sempre planas e paralelas. É uma propriedade condicionada pela estrutura interna, resultando o fato das ligações serem mais fracas em certas direções que em outras. É descrita 6 por termos, tais como: proeminente, perfeita, distinta e indistinta. Nem todas as espécies minerais apresentam clivagem. Fratura: é a maneira pela qual se rompem os minerais, diferentemente da clivagem. Geralmente são superfícies irregulares. É designada por um dos termos: conchoidal, igual ou plana, desigual ou irregular. 1.2.1.2. Dureza É a resistência oferecida por uma superfície lisa do mineral ao ser riscado. Por razões práticas, os minerais são classificados através de uma tabela relativa a dureza, conforme a facilidade ou não de serem riscados por outros minerais. Dez minerais, do mais fraco ao mais resistente, quanto a dureza, são usados para compor tal escala, conhecida como escala de Mohs: 1 - Talco 6 - Ortoclásio 2 - Gipso 7 - Quartzo 3 - Calcita 8 - Topazio 4 - Fluorita 9 - Corindon 5 - Apatita 10 – Diamante 1.2.1.3. Tenacidade É a resistência oferecida pelo mineral ao ser rasgado, moído dobrado ou despedaçado. É uma propriedade relacionada a coesão. Segundo ela o mineral pode ser: Friável - pode ser transformado ou reduzido em pó; Maleável - pode ser transformado em folha por percussão; Séctil - pode ser cortado por um canivete; Dúctil - pode ser transformado em fio; Plástico - pode ser dobrado, mas não recupera a forma original, terminada a pressão que o deforma. Elástico - pode recuperar a forma primitiva, ao cessar a força que o deforma. 1.2.1.4. Peso Específico ou Densidade Relativa É um número que exprime a relação entre seu peso e volume. 7 1.2.2. Propriedades que dependem da luz 1.2.2.1. Brilho É o aspecto da superfície do mineral quando reflete a luz podendo ser metálico ou não metálico. Os de brilho não metálico podem ser descritos como exibindo brilho vítreo, sedoso, adamantino, etc. 1.2.2.2. Cor É uma propriedade importante para identificação dos minerais. Os minerais que apresentam brilho metálico, geralmente apresentam cor constante e definida. Frequentemente os minerais, principalmente os de brilho não metálico, apresentam-se coloridos devido às impurezas. 1.2.2.3. Traço Constitui a cor do pó fino mineral e pode ser observado riscando uma placa de porcelana. 1.2.3. Magnetismo É uma propriedade que apresentam certos minerais, em seu estado natural, de serem atraídos por um imã. Apresentam alto teor de Fe na sua composição. 1.2.4. Propriedades químicas Com relação às propriedades químicas cita-se apenas o fenômeno da dissolução de calcários por ácidos. Pingando-se uma gota de ácido clorídrico diluído sobre um mineral, caso seja observado efervescência, pode-se concluir que esse se trata de um carbonato. As propriedades físicas presentes poderão indicar qual o tipo de carbonato em análise. CaCO3 + HCl = Ca Cl2 + H2O + CO2 8 1.3. Procedimentos para identificação Reconhecer o tipo de brilho do mineral: metálico ou não metálico. Examinar: a-) Cor do mineral b-) Dureza - é a propriedade relativa, devendo o mineral ser enquadrado entre certos valores de escala Mohs. Escala prática para uso: Unha 2,5 Moeda 3,0Canivete 5,0 Vidro 5,5 Porcelana 6,0 Quartzo 7,0 Baixa entre 1 - 2 Média entre 3 - 5 Alta entre 6 - 10 c-) Cor do traço observado numa placa de porcelana opaca. d-) Hábito do mineral é a forma como ele normalmente se apresenta, como por exemplo: lamelar, prismático, globular, agregado, etc. e-) Outras propriedades magnetismo, flexibilidade, maleabilidade, clivagem fratura, efervescência ao ácido clorídrico diluído, etc. Com os elementos acima obtidos, recorre-se a tabelas, como exemplo a tabela em anexo, a fim de selecionar um ou mais minerais que possuam propriedades semelhantes. Deve-se ter em mente que este é um processo de determinação simplificado, utilizando-se apenas propriedades macroscópicas e fáceis de serem observadas, não requerendo praticamente equipamento algum. Para um trabalho mais rigoroso, seria necessária a utilização de outras propriedades, como: ópticas, difração de raios-x, peso específico, composição química, etc. 9 2. Rochas Rocha é o agrupamento de um ou mais tipo de mineral resultante de um processo geológico determinado. Os minerais são arranjados segundo condições de temperatura e pressão existentes durante sua formação. As rochas, de acordo com seu modo de formação, constituem três grandes grupos: ígneas ou magmáticas, sedimentares e metamórficas, cada qual com características peculiares. Esses grupos rochosos se inter-relacionam, evidenciando o caráter cíclico e dinâmico da formação das rochas. Ciclo das Rochas (ABGE, 1998) 2.1. Rochas ígneas ou magmáticas As rochas ígneas ou magmáticas resultam da solidificação de material rochoso, parcial a totalmente fundido, denominado magma, gerado no interior da crosta terrestre. Conforme seu local de formação distingue-se três tipos de rochas ígneas: - Intrusivas ou plutônicas: o magma que sofre o seu resfriamento a grandes profundidades. Lentos processos de resfriamento e solidificação, resultando em material cristalino, geralmente de granulação grossa e de formas definidas. Exemplos: granito, pegmatito. 10 - Hipo-abissais: É o magma que sofre o seu resfriamento no interior da crosta em profundidades intermediárias. Lentos processos de resfriamento, com minerais de pequeno tamanho, mas possíveis de observar a olho nu. Exemplo: diabásio. - Extrusivas ou vulcânicas: É o magma que sofre o seu resfriamento em contato com o ar ou água, na superfície da crosta. Resulta em material vítreo ou cristalino de granulação fina. Exemplo: basalto. Quanto mais lento e profundo for o resfriamento do magma, mais desenvolvido serão os minerais que a constitui, consequentemente, maior a resistência à esforços mecânicos de compressão a rocha terá. 2.1.1. Formas de ocorrência As principais formas de ocorrência das rochas ígneas na crosta terrestre estão esquematizadas a seguir: Formas de ocorrência das rochas ígneas (CONSTANCIO, 2003) - Batólitos ou stocks: volumes irregulares de rochas intrusivas. - Diques: resulta do preenchimento de fraturas nas rochas da crosta terrestre pelo magma em ascensão. - Sills: corpo ígneo de forma tabular, concordante em relação as rochas encaixantes. - Derrames de lava: atividades vulcânicas expelidas por condutos vulcânicos ou por rede fraturas na superfície terrestre. A seguir, encontram-se os tipos de rochas e os locais de ocorrência 11 Tipos de rochas e suas formas de ocorrência (CONSTANCIO, 2003) 2.2. Rochas Magmáticas Procedimento de Classificação: Existem diversos critérios de classificação. Enumeramos apenas algumas propriedades principais que são: Cor a cor de uma rocha depende das cores dos minerais que as compõe. Segundo esse critério, a rocha pode ser: a-) Melanocrática ou escura: quando contém mais de 60% de minerais ou materiais escuros. b-) Mesocrática ou intermediária: quando contém entre 30% a 50% de minerais ou materiais escuros. c-) Leucocrática ou clara: menos de 30% de minerais ou materiais escuros. Estrutura é o aspecto macroscópico apresentado pela rocha, relacionado com sua gênese e com fenômenos dinâmicos internos e externos da crosta terrestre. a-) Vesículas: cavidades formadas durante a solidificação. b-) Amígdalas: cavidades que foram preenchidas posteriormente à solidificações das rochas. c-) Diaclases ou juntas: fraturas geralmente decorrentes de contração por resfriamento durante a solidificação ou por esforços que atuam na crosta terrestre a sua observação geralmente é possível de se fazer apenas no campo. d-) Compacta: caracteriza-se por uma homogeneidade aparente. Textura É a organização interna da rocha, referente ao arranjo, tamanho e forma das partículas que a constituem. 12 Nas amostras a serem analisadas, algumas das seguintes texturas poderão ser observadas: a-) quanto a cristalinidade - podem ser: vítrea: quando a rocha não apresenta minerais, mas apenas material em estado amorfo (vidro). cristalina: quando a rocha é completamente formada por minerais. vítrea-cristalina: quando apresenta minerais e material em estado amorfo (vítreo). b-) quanto ao tamanho dos minerais Existem três tipos de granulação, que obedecem a um critério aproximado de divisão: granulação grosseira: os minerais tem um tamanho médio de 5mm. granulação média: o tamanho médio dos minerais vária entre 1mm à 5mm. granulação fina: quando os minerais se apresentam com dimensões média inferiores a 1mm. Composição Mineralógica: a-) deverá ser indicado o número de espécies minerais aparentes nas amostras. b-) verificar a possibilidade de reconhecimento de algumas espécies minerais tais como : mica, feldspato e quartzo. c-) dos minerais visíveis, citar: cor, brilho clivagem, etc. Quanto a Gênese: a-) intrusiva ou plutônica: rocha formada em grande profundidade, onde o resfriamento é mais lento, gerando minerais de granulação maior. Ex: granito. b-) hipo-abissais: formada a pequena profundidade, onde o resfriamento é mais rápido, gerando minerais de granulação menor. Ex: diabásio. c-) extrusiva ou vulcânica: rocha que se formou por resfriamento rápido na superfície da terra, portanto de granulação fina ou vítrea. Ex.: basalto 13 Porcentagem em sílica (quartzo): a-) rochas ácidas: rochas com teor em sílica superior a 65%; Ex: granito. b-) rochas intermediárias: teor compreendido entre 65% a 52%; Ex: sienito, diorito, etc.; c-) rochas básicas: com teor abaixo de 52%. Ex.: basalto, diabásio. Embora a porcentagem de sílica seja obtida através de análises químicas das rochas, é possível ter-se uma idéia de seu teor analisando a porcentagem do mineral quartzo na rocha, pois o mesmo representa sílica livre. 2.3. Rochas Ígneas mais empregadas na engenharia civil Granitos: utilizados geralmente como brita, lajes polidas, blocos, etc. Possuem grande resistência a esforços compressivos, chegando a suportar 2.700 kg/cm2. Em granitos de uma mesma espécie, a resistência aumenta com a diminuição do tamanho dos minerais. Basaltos e Diabásios: utilizados principalmente como brita, são empregadas secundariamente, em ornamentação. Os diabásios de textura grossa quando polidos, apresentam um aspecto original devido à disposição dos cristais de feldspato. Sua resistência à compressão é de ordem de 1.900 kg/cm2. As rochas em geral, quando utilizadas como material de construção, necessitam de um exame prévio detalhado, principalmente no que diz respeito a fenômenos de alteração, que muitas vezes são perceptíveis somente ao microscópio. Um mineral mesmo fracamente alterado pode mudarcompletamente os valores de resistência de uma rocha. 2.4. Rochas sedimentares É o estágio final de um conjunto de processos naturais que vão da decomposição da rocha pré-existente até o seu transporte e sedimentação. Estas rochas são conhecidas como rochas brandas, pois, em geral, apresentam baixas resistências mecânicas. 14 As rochas sedimentares, em sua maioria, se formam a partir de processos que compõem o ciclo sedimentar, quais sejam: o intemperismo, a erosão, o transporte, a deposição e a litificação. Podem ter três tipos de origem: - Origem clástica ou mecânica: consiste na lenta compactação dos extratos de sedimentos que tende a comprimir os grãos, produzindo embricamento (união de grãos ou formação de uma estrutura) dos mesmos e agregação. A figura a seguir ilustra o processo de formação de rocha sedimentar de origem clástica. Processo de formação de rocha sedimentar de origem clástica (CONSTANCIO, 2003) - Origem química: rochas inorgânicas que se formam através da precipitação de soluções químicas em bacias de sedimentação. Exemplo: calcário, gipsita. - Origem orgânica: Acúmulo de animais, vegetais, ou seja, matéria orgânica de natureza diversa, que encontram condições favoráveis de formação, tais como, pântano, fundo do mar ou rios, onde se acumulam. Exemplo: folhelho betuminoso (restos vegetais), coquina (restos de concha). As figuras a seguir ilustram o processo de formação das rochas químicas e orgânicas respectivamente. 15 Processo de formação de rocha sedimentar de origem química (CONSTANCIO, 2003) Processo de formação de rocha sedimentar de origem orgânica (CONSTANCIO, 2003) 2.5. Rochas Sedimentares Procedimento de Classificação: Características a serem observadas nas amostras: Cor: A cor depende não somente do tamanho das partículas que a compõe como também da pigmentação dessas partículas. Em rochas de mesma composição mineralógica e de maneira geral, quanto maior as partículas componentes, mais clara é a rocha e vice-versa. 16 A cor das rochas sedimentares normalmente se relaciona à oxidação de íons de ferro (caso existam) e a presença ou não de carbono ou resíduos carbonosos. Assim quando há baixa oxidação dos íons de ferro a cor varia do azul ao verde; quando é alta a oxidação, ela pode ser amarela, laranja, castanha ou vermelha. Estruturas: As principais estruturas originadas concomitantemente com a formação da rocha são: a-) Estrutura maciça: caracteriza-se pela homogeneidade aparente apresentada pela rocha. b-) Estratificação plano-paralela: as rochas sedimentares, em geral, se apresentam em camadas ou estratos superpostos, horizontais. Cada estrato representa condições de deposição mais ou menos constantes. c-) Estratificação cruzada: podem apresentar estratos cruzados, devido à decomposição dos sedimentos em ambientes de água corrente (deltas ou borda de bacia de sedimentação), ou pelo vento, como no caso das dunas. Textura: No caso de rochas sedimentares, está intimamente ligada a natureza do sedimento, podendo ser: a-) Clástica ou mecânica: é aquela representada por rochas sedimentares que foram formadas pela acumulação de fragmentos de rochas ou minerais. Essa textura é facilmente identificada em rochas com granulação visíveis, como: conglomerado, arenitos e mesmo em silitos, mas em argilitos, que também pode ser de origem mecânica, essa textura é dificilmente identificável, mesmo ao microscópio, devido ao pequeníssimo tamanho das partículas. b-) Não Clásticas: são apresentados pelas rochas sedimentares de origem químicas e orgânicas. Assim, as orgânicas apresentam, frequentemente, fragmentos de organismos, macro ou microscópico. Todavia, as de origem química mostram grãos minerais justapostos ou imbricados, formados por precipitação de soluções. Composição: 17 Deverá ser indicado o número de minerais na amostra, caso existam, e identifica-los se possível. Indicar as formas dos grãos observados, como exemplos: grãos arredondados, angulosos, quebrados, alongados, achatados. Caso seja possível, identificar as partículas de minerais ou de rochas que entram na composição da rocha sedimentar analisada. Observar se aparece a matéria orgânica como: fragmentos de conchas, restos de plantas, etc. Cimento: O material que une as partículas sedimentares, dando coesão à rocha, constitui o seu cimento. As substâncias mais frequentes encontradas como cimento são: argilas, alumíno-silicatos hidratados, calcário (carbonatos), calcita, dolomita, hidróxidos e óxidos de ferro, sílica (SiO2) e anidrita CaSO2. Para verificar se o cimento é calcário, basta pingar algumas gotas de ácido sobre a rocha e notar se há desprendimento de CO2. Atenção: rochas sedimentares de origem química são uniminerálicas não possuem cimento! Classificação: Quanto à origem as rochas sedimentares podem ser classificadas em: mecânicas, orgânicas e químicas. Mecânicas: a-) Rudáceas - como exemplo cita-se os conglomerados, nos quais predominam partículas maiores que 2mm. b-) Arenosas - como os arenitos, onde predominam partículas entre 2mm e 0,062mm. c-) Siltosas - como os siltitos, onde predominam partículas entre 0,062mm e 0,004mm. d-) Argilosas - como os argilitos e os folhelhos, formados por partículas menores que 0,004mm. Orgânicas: a-) Calcárias - coquinas, corais e travertinos. b-) Silicosas – coquinas, diatomitas e alguns sílex. c-) Carbonosas - turfas, carvões e folhelhos oleosos. 18 Químicas: a-) Calcárias – calcitas e dolomita b-) Ferruginosas - alguns minérios de ferro em camadas c-) Salinas - nas formas de cloretos (halita e silvita); de nitratos, sulfatos e boratos. 2.6. Rochas sedimentares mais empregadas na engenharia civil As rochas sedimentares tem grande importância econômica, pois nelas são encontradas parcela considerável de riqueza mineral existente, a saber: carvão, petróleo, gás mineral, muitos minérios metálicos e particularmente, matérias primas essenciais a indústria de construção como pedras de revestimentos, areia, cascalho, argila, etc. Deve-se ressaltar também que as maiores reservas de água subterrânea, possíveis de serem aproveitadas, são encontradas em rochas sedimentares. Podemos considerar, para fins de aplicação, duas classes de rochas sedimentares: a rocha em si, como material corrente e o sedimento formador destas rochas. Coerentes ou Rochas Sedimentares: Arenitos - rocha formada por grãos de quartzo cimentados por um material qualquer (sílica, carbonato, óxidos de Fe, etc.). Os arenitos que possuem cimento silicosos apresentam grande resistência à abrasão e ao ataque químico, sendo normalmente utilizados em pisos (na forma de lajes ou blocos ) e em revestimento de fachadas. Argilitos e Siltitos são empregados também no calçamento, como é o caso do “Varvito de Itu” ( rocha estratificada com alternância de silte e argila), sendo fácil a obtenção de lajes segundo os planos de estratificação. Calcários Sedimentares dos vários tipos que existem, o travertino é de grande procura para o revestimento de fachada. Trata-se de um calcário compacto, contendo inúmeras cavidades, razão pela qual o lado de uma grande solidez, grande leveza e aptidão para segurar argamassa, devido sua textura celular. Gipsita (sulfato de cálcio hidratado), rocha de origem química formada pela precipitação de sulfato de cálcio. É usado na forma de gesso em construção, principalmente em serviços de estuque. Tem grande emprego na fabricação de cimento Portland. 19 Incoerentes sem cimentação: Torna-se quasedesnecessário discorrer sobre a aplicação desses sedimentos na Engenharia Civil, tal o volume de frequência com que são utilizados. Cascalho: encontrado e extraído principalmente dos leitos dos rios ou de depósitos deixado por eles, devido a mudança de posição que frequentemente ocorre em seus cursos. Areia: as mais empregadas são aquelas que fazem parte de depósitos eólicos ou retirada de leitos de rios. As areias nas praias contém teor em sal, fator que limita o seu emprego em construção. Argilas: quanto à sua gênese podem ser consideradas de dois tipos: primárias formadas “in situ” pela decomposição química, principalmente de feldspatos e secundárias, que são aquelas que depois de formadas são transportadas geralmente pela água para um lugar qualquer, vindo a formar um depósito sedimentar. Estas são freqüentemente coloridas por óxidos de ferro e apresentam maior plasticidade que as outras. 2.7. Rochas metamórficas São aquelas originadas de outras rochas que sofreram a ação de altas pressões e elevadas temperaturas, ou tiveram contato com gases e líquidos magmáticos. Ex.: Arenito (Sedimentar) Quartzito (Metamórfica), Cálcáreo (Sedimentar) Mármore (Metamórfica), Granito (Magmática) Gnaisse (Metamórfica). O metamorfismo é um conjunto de fenômenos naturais que provocam alteração na estrutura, como também na composição mineralógica da rocha original (magmática e sedimentar). Estas alterações provocam a instabilidade dos minerais, que tendem a se transformar e rearranjar sob as novas condições. Pode ocorrer a recristalização do mineral até reações metamórficas mais intensas. A rocha resultante de um processo metamórfico depende, essencialmente, da sua composição original, das condições de pressão e temperatura e fluídos envolvidos, ou seja, rochas de composição mineralógica diferentes (por exemplo: calcários, folhelhos e basaltos) irão apresentar mineralogia metamórfica adversa, mesmo quando submetidos a ações metamórficas semelhantes. Os tipos de metamorfismos são: 20 - Cataclástico: ação de altas pressões dirigidas que provocam mudanças na estrutura da rocha original. Ex.: Cataclasito, Milonito. - Termal (Contato ou Local): ação de altas temperaturas (transferência de calor de massas magmáticas) que provocam mudanças na composição da rocha original (recristalização). Ex.: Mármore. - Dinamotermal: ação de altas temperaturas e pressões dirigidas que provocam alterações na estrutura e na composição mineralógica da rocha original. Ex.: Itacolomito, Itabirito, Xisto, Filito, Ardósia. - Plutônico: ação de altas temperaturas e pressões confinantes (hidrostática) que provocam alterações na estrutura e na composição mineralógica da rocha original. Ex.: Granulito, Eclogito. 2.8. Rochas metamórficas Características a serem observadas nas amostras 2.8.1. Estrutura Além da possibilidade de apresentarem fraturas (normalmente observáveis em afloramentos), essas rochas podem mostrar as seguintes estruturas: Foliação (xistosidade): é caracterizada por uma orientação resultante do desenvolvimento mais ou menos paralelo e contínuo de minerais micáceos, alongados ou prismáticos. Lineação: é a denominação dada à foliação (ou xistosidade) descontínua de uma rocha metamórfica de granulação maior, que contém quartzo, feldspato e minerais micáceos orientados (gnaisse). Nela há faixas de minerais planares orientados separados por minerais não orientados. Estrutura semelhante, denominada bandeada, pode ocorrer em rochas metamórficas compostas exclusivamente por quartzo e pequena porcentagem de minerais micáceos (quartzitos). Granulada: poucos minerais lamelares ou alongados, e muito maior porcentagem de minerais granulares (mármores). Cataclástica: caracterizada por fragmentos angulosos da rocha original cimentados por massa fina do mesmo material. Quando o processo metamórfico é muito intenso, há uma redução e fragmentos muito finos, dando origem ao “milonito”, rocha dura, com granulação microscópica. 21 2.8.2. Textura Granoblástica: quando os grãos se apresentam mais ou menos equidimensionais, sendo comum em rochas granuladas. Lepidoblástica: é caracterizada por minerais placóides em arranjos mais ou menos paralelos. Porfiroblástica - quando há cristais maiores que se sobressaem numa matriz mais fina. Observação: Estas texturas não se aplicam às rochas resultantes do metamorfismo cataclástico. 2.8.3. Composição Mineralógica Deverá ser indicado o numero de minerais possíveis de serem observados nas amostras. Observar a forma dos minerais Verificar a possibilidade de reconhecimento de algumas espécies minerais mais comuns. 2.8.4. Classificação Rochas de metamorfismo cataclástico: Cataclasitos e Milonitos Rochas de metamorfismo termal: Hornfels e Mármores Rochas de metamorfismo dinamotermal: Quartzitos, Ardósias, Filitos, Xistos, Gnaisses e Itacolomitos Rochas de metamorfismo plutônico: Granulitos, Charnockitos e Eclogitos Chama-se a atenção para o fato de que podem ser encontrados termos de transição entre rochas metamórficas típicas e rochas ígneas ou sedimentares, conforme a intensidade dos processos metamórficos que estas tenham sofrido. Por outro lado, encontramos também termos de transição entre um grupo e outro de rochas metamórficas como por exemplo: entre micaxistos, entre filitos e ardósias. 22 2.9. Rochas metamórficas mais empregadas na Engenharia Civil Gnaisse: é uma das rochas mais comumente empregadas em construção com largo emprego em pavimentação na forma de paralelepípedos ou mesmo sub-base de rodovias. É usada também em leitos de ferrovias. É freqüentemente utilizada como pedra britada, quando o teor em mica é baixo. Aceita polimento, permitindo obtenção de material de fino acabamento em forma de lajes. Quartzitos: muito utilizado em lajes, aparelhadas manualmente ou serradas, tanto em fachadas como em pisos, polido ou não. O uso para tais fins tem sido muito grande, não só pela beleza que apresentam como também pela resistência ao desgaste físico e químico. Largo uso tem-se feito ultimamente de um quartzito micáceo proveniente de Minas Gerais, chamado de Itacolomito, o qual permite a obtenção de placas muito finas e regulares. Comercialmente é conhecida como “Pedra Mineira”. Mármores: é de conhecimento geral a utilização dos mais variados tipos de mármores, tanto em revestimentos interiores e exteriores, quanto em pisos e ornamento. Deve-se considerar que os mármores coloridos e sulcados de veias, geralmente não dão pavimentos duráveis e econômicos, principalmente quando expostos ao tempo. Apresentam melhores resultados quando aplicados em revestimentos de paredes. Para uso em pisos, deve-se escolher um tipo de mármore que tenha granulação fina e compacta. 3. Caracterização geológico-geotécnica dos maciços rochosos Um maciço rochoso, do ponto de vista de seu aproveitamento em engenharia, é constituído por um conjunto de blocos de rocha justapostos e articulados, separados por descontinuidades, e é a relação entre a quantidade de descontinuidades e a escala da obra que indica o grau de isotropia do meio (Serra Júnior e Ojima, 1998). Contudo, o comportamento do maciço não se restringe apenas a quantidade de descontinuidades, mas é influenciado pelas condições que essas descontinuidades apresentam. Como a natureza das características do maciço difere de local para local, função da história geológica da região considerada, é necessário evidenciar os atributos do meio rochoso que, isolada ou conjuntamente, condicionam o seu comportamento ante as solicitações impostas pela obra em questão. Tal procedimento denomina-se caracterização geológico-geotécnicado maciço rochoso. A caracterização objetiva, portanto, a “emergência das características de uma realidade para sua posterior classificação” (Franciss, 1974). 23 De modo geral, as características mais visadas no estudo do comportamento dos meios rochosos relacionam-se a deformabilidade, a resistência, a permeabilidade (em especial, no caso de obras hidráulicas e certas obras de escavação), e ao estado de tensões naturais. Tais características compreendem as feições geológicas e os parâmetros geotécnicos (obtidos através da caracterização geológico-geotécnica do maciço rochoso) e os índices e propriedades físicas (determinados por meio de ensaios in situ e laboratoriais). As características que traduzem a qualidade dos meios rochosos, do ponto de vista de engenharia civil, associam-se fundamentalmente a litologia, ao estado de alteração, a coerência e as descontinuidades. 3.1. Litologia Segundo Serra Junior e Ojima (1998) a classificação litológica para aplicação em engenharia deve apoiar-se em conceitos petrográficos de uso corrente da geologia, mas deve ser simplificada e objetiva, adotando como critérios o grupo genético, as estruturas principais, textura, granulação e mineralogia. Um maior detalhamento litológico pode ser realizado conforme haja necessidade no decorrer dos estudos. 3.2. Estado de alteração Estado de alteração é o conjunto de modificações físico-químicas a que as rochas se encontram submetidas, e que conduz à degradação de suas características mecânicas (Serra Junior e Ojima, 1998). A caracterização do estado de alteração é feita tátil-visualmente, com base em variações do brilho e da cor dos minerais da rocha, além da friabilidade. A Tabela 1 apresenta uma classificação básica de graus de alteração de rochas. Guidicini et al (1972) consideram o grau de alteração o parâmetro mais difícil de ser definido em campo, e limitam a três os graus de alteração, devido ao fato de que como a determinação de limites é muito subjetiva, o emprego de um maior número de graus seria pouco prática. Os graus propostos são rocha sã (A1); alterada (A2); e muito alterada (A3). Segundo Vaz (1996) a utilização de critérios baseados na alteração mineralógica e na porcentagem relativa de solos e blocos, utilizados para a definição de horizontes de alteração, é subjetiva e dificilmente reproduzíveis por observadores diferentes em um mesmo perfil. Para o Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT (1983) a caracterização do estado de alteração das rochas é normalmente abordada através de critérios qualitativos, onde a avaliação é visual, ou quantitativos, onde são utilizados diversos ensaios para avaliação das 24 características mecânicas das rochas, tais como: deformabilidade e ruptura; velocidade de propagação de ondas elásticas; porosidade e permeabilidade; expansibilidade; e desgaste em meio úmido. Os critérios de alteração qualitativos se aplicam bem às rochas duras, mas em rochas sedimentares estas observações podem não apresentar um resultado satisfatório, sendo necessária a utilização de métodos quantitativos, ou a utilização de parâmetros de coerência. Tabela 1 – Graus de alteração (IPT, 1984). 3.3. Coerência A coerência baseia-se em propriedades como tenacidade, dureza e friabilidade das rochas, e também é determinada tátil-visualmente com a observação da resistência que a rocha oferece ao impacto do martelo e ao risco com lâmina de aço (Guidicini et al, 1972). A Tabela 2 apresenta os critérios para definição da coerência das rochas. Segundo Serra Junior e Ojima (1998), os parâmetros de alteração e coerência permitem perceber a ação intempérica sobre o maciço rochoso, e conseqüentemente as possíveis alterações nas características mecânicas das rochas, especialmente sobre a resistência, que sofre significativa redução nos estágios inicias de alteração. Tabela 2 – Graus de coerência (GUIDICINI, 1972). 25 3.4. Resistência Segundo Guidicini et al (1972) entende-se por grau de resistência aquele relacionado com a compressão simples. Os diferentes graus de resistência são estabelecidos com base nos valores de resistência obtidos em ensaios de compressão uniaxial. Este parâmetro é muito utilizado na caracterização de maciços rochosos para fins de engenharia, e as rochas podem ser subdivididas em cinco níveis de resistência, conforme a Tabela 3. O ensaio para obtenção da resistência a compressão uniaxial é relativamente dispendioso, requer tempo para a preparação de amostras e equipamentos especiais para a sua realização. Entretanto, testes indiretos são comumente utilizados para se obter esse parâmetro, como teste de carga puntual e o martelo de Schmidt. São testes mais simples, requerem menos preparação de amostras e equipamentos menos sofisticados. Tabela 3 – Graus de resistência (GUIDICINI, 1972). 3.5. Descontinuidades As descontinuidades são sem dúvida o principal condicionante do comportamento de um maciço. Sem elas o maciço se comportaria como rocha intacta, dependendo apenas das características intrínsecas do material, como coesão e ângulo de atrito. Mas na realidade a resistência, a deformabilidade, a estabilidade, e a permeabilidade entre outras propriedades do maciço rochoso, estão muito mais associadas à natureza das descontinuidades do que à rocha propriamente dita (Serra Júnior e Ojima, 1998). Descontinuidade é um termo geral que engloba feições geológicas que interrompem a continuidade física do meio rochoso, como fraturas, falhas, acamamentos, contatos, foliações e xistosidades. Ela pode ser definida como qualquer superfície natural em que a resistência a tração é nula ou muito baixa (ISRM, 1978). Os principais tipos de descontinuidades são falhas e fraturas. As fraturas, ou juntas, caracterizam-se por ser um plano de quebra da continuidade da rocha sem movimentação relativa significativa entre os blocos. Um conjunto de fraturas com a mesma orientação e origem forma uma família. A falha é um plano onde ocorreu deslocamento de um bloco em relação ao outro. 26 Segundo Gabrielsen (1990), qualquer pessoa que esteja trabalhando com o estudo de rochas, independentemente da escala utilizada, irá ter que lidar com descontinuidades, sejam fraturas ou falhas. Segundo o autor, as descontinuidades representam a parte mais fraca do corpo rochoso, e o local onde todos os tipos de processos geológicos (geoquímico, termal e mecânico) podem interagir. 3.5.1. Orientação É a atitude de um plano de descontinuidade no espaço. É descrito pela direção e o mergulho do plano. De acordo com Magalhães e Cella (1998), a direção é definida pelo ângulo entre o norte e a linha de intercessão do plano da descontinuidade, com o plano horizontal, e o mergulho é o ângulo de inclinação do plano com o plano horizontal. A reta do mergulho é a reta de máxima inclinação no plano, perpendicular à direção. 3.5.2. Número de famílias Um conjunto de descontinuidades com mesma orientação e origem caracteriza uma família de fraturas. Quando ocorre mais de uma família elas são numeradas, de acordo com o grau de importância para estudo. O conjunto das famílias de um determinado local define um sistema de fraturas. 3.5.3. Persistência Segundo a ISRM (1978), a persistência implica na extensão ou dimensão de uma descontinuidade em um plano, e pode ser quantificada observando-se o comprimento do traço da descontinuidade em uma superfície exposta do maciço. As descontinuidades podem ter seus traços acabando em outras descontinuidades, ou terminando na própria rocha. De acordo com Serra Junior e Ojima (1998), “a persistência tem especial influência na resistência ao cisalhamento dos maciços rochosos, com importância decisiva em certas situações de taludes e fundaçõesde barragens”. Contudo, é um parâmetro difícil de ser utilizado na prática, quando não se dispõe de extensos afloramentos para a observação das descontinuidades, ou quando o estudo é feito sobre testemunhos de sondagem. 3.5.4. Alteração das paredes das descontinuidades A alteração do maciço rochoso não ocorre de forma homogênea. Ela ocorre inicialmente nas áreas aflorantes do maciço, e pelas descontinuidades 27 por onde há a possibilidade de percolação de água. A descrição da alteração das paredes é dada pelo grau de alteração da rocha, e pela espessura que a alteração apresenta. 3.5.5. Rugosidade A rugosidade dos planos de uma descontinuidade é, de maneira geral, caracterizada pelas ondulações e irregularidades dos planos. De acordo com Serra Junior e Ojima (1998), a rugosidade “influência especialmente a resistência ao cisalhamento, sobretudo quando se trata de descontinuidades não preenchidas, conferindo um incremento ao ângulo de atrito, até um nível de tensões a partir do qual se verifica a ruptura.” A rugosidade é quantificada de acordo com seu perfil geométrico, conforme a figura a seguir. Figura 7 – Perfis de rugosidade (BARTON ET AL. 1974) 3.5.6. Abertura A abertura corresponde à distância perpendicular que separa as duas paredes de uma descontinuidade, onde o espaço entre elas pode ser preenchido por ar, água ou outro material de preenchimento. A ISRM (1978) sugere a terminologia apresentada na Tabela 4 para a classificação da abertura de descontinuidades. Tabela 4 – Classificação de aberturas de descontinuidades (ISRM, 1978) 28 3.5.7. Preenchimento Preenchimento é o termo usado para designar o material presente entre as paredes de uma descontinuidade. O tipo de preenchimento encontrado tem papel importante no comportamento do maciço rochoso, principalmente com relação à resistência ao cisalhamento e à permeabilidade. Segundo Serra Junior e Ojima (1998), a caracterização do preenchimento deve conter a espessura, a caracterização de seus constituintes (granulação, mineralogia, textura, cor) e outras informações que se mostrarem relevantes. 3.5.8. Espaçamento Segundo Magalhães e Cella (1998), o espaçamento refere-se à quantidade de descontinuidades por unidade de medida. Por definição o espaçamento é considerado como a distância perpendicular entre duas descontinuidades de uma mesma família, geralmente se referindo à média de espaçamentos da família. A terminologia proposta pela ISRM (1978) é dada na Tabela 5. Tabela 5 – Classificação de espaçamento (ISRM, 1978) 3.5.9. Grau de fraturamento O grau de fraturamento expressa a quantidade de fraturas por metro linear de maciço. Utilizado principalmente na descrição de testemunhos, ele difere do espaçamento por não estar relacionado à distância perpendicular entre fraturas de uma mesma família, mas reflete a quantidade de pedaços em que o maciço ficou fragmentado. Guidicini et al (1972) propõe a classificação da Tabela 6 para determinar o grau de fraturamento. 29 Tabela 6 – Graus de fraturamento (GUIDICINI ET AL, 1972) 4. Classificação de maciços rochosos São nas primeiras fases de estudo de um projeto, onde ainda são poucas as informações sobre o maciço rochoso, que o uso da classificação de maciços traz grandes benefícios, e serve como um check-list que assegura que todas as informações relevantes sejam consideradas. Contudo, a utilização da classificação não deve, e nem pode, ser a única fonte de informação na elaboração do projeto. A formulação de classificações geomecânicas remonta a década de 40, tendo sido elaboradas grande número delas, nos anos que se seguiram. Uma lista resumida das principais classificações geomecânicas está apresentada na tabela 7. Tabela 7 – Principais classificações geomecânicas (BIENIAWSKI, 1989) Segundo Guidicini et al (1972) uma classificação geotécnica de meios rochosos depende do campo de aplicação da obra (superficial ou subterrânea), da etapa de projeto e o nível de detalhe do estudo, da disponibilidade de recursos, do grau de desenvolvimento do meio técnico em que a classificação é feita, e da natureza do meio rochoso em estudo e seu nível de complexidade. 30 Para Bieniawski (1989), as classificações de maciços rochosos são necessárias para avaliar as condições dos maciços para fins de engenharia, e se tornaram bem aceitas pela comunidade científica, pois permitem correlacionar as experiências de condições de maciços de um local com as encontradas em outro. Nenhum parâmetro isolado pode descrever completa e adequadamente um maciço rochoso para fins de engenharia. Vários fatores têm diferentes significados, e somente uma combinação de fatores pode descrever um maciço satisfatoriamente. Para selecionar os parâmetros geológicos é importante que eles sejam não só os mais significativos do ponto de vista da engenharia, mas também que possam ser medidos e verificadas no campo, a fim de evitar opiniões pessoais e observações qualitativas. Segundo Kirkaldie (1988), muitos dos problemas que surgiram no passado com os sistemas de classificação devem-se ao caráter genérico das classificações, com a rocha sendo classificada comumente por suas características mineralógicas e petrológicas, sendo que nessas classificações a rocha precisava ser reinterpretada para os diferentes usos na engenharia. A conceituação de termos como caracterização, classificação geológico-geotécnica, classificação geomecânica e compartimentação, são definidos por Monticeli (1983) como: - Caracterização de Maciço Rochoso: levantamento das características geológicas (litologia e estruturas), geotécnicas (recuperação, fraturamento, alteração, etc) e mecânicas (obtidos através de ensaios) do maciço rochoso. Classificação Geológico-Geotécnica: elege características representativas do maciço (parâmetros de classificação) com os quais se estabelecem unidades, zonas ou compartimentos, que correspondem às classes formadas pelas variações dos parâmetros. Classificação Geomecânica ou Modelo Geomecânico: estabelece parâmetros ou índices mecânicos às classes ou unidades de maciço, para utilização direta no projeto. Compartimentação: estabelece unidades que sintetizam de maneira clara e relevante os condicionantes geológicos-geotécnicos importantes para a finalidade do estudo, que podem ser obtidos a partir da caracterização ou da classificação do maciço rochoso. 4.1. Rock Quality Designation – RQD O RQD como uma forma de classificação de maciços rochosos, acabou se tornando um dos parâmetros utilizados por outras classificações. É definido como a percentagem de pedaços de testemunho de rocha intactos, maiores ou iguais a 10 cm, pelo comprimento do avanço da perfuração, a manobra. Para isto, o testemunho deve ter tamanho mínimo NW (54,7mm) e 31 ser perfurado com barrilete duplo-livres, para rochas duras a medianamente duras: p = comprimento das peças maiores que 10 cm; n = comprimento da manobra de avanço da perfuração. 4.2. Classificação de Barton – Sistema Q O sistema Q de classificação de maciço rochoso foi desenvolvido por Barton, Lien e Lunde em 1974, baseados na análise de 212 casos históricos de túneis, dos quais mais de 30 casos incluíam túneis permanentemente sem suportes. Este sistema avalia numericamente a qualidade do maciço rochoso usando os seguintes parâmetros: RQD; número de famílias de juntas; rugosidade das juntas; grau de alteração e preenchimento das juntas; fluxo interno d’água; e condições de tensões. Estes parâmetros se relacionam através da equação: Onde: RQD – rock quality designation (Tabela 8); Jn – índice de influência do número de famílias de fraturas (Tabela 9); Jr – índice de influência darugosidade das paredes das fraturas (Tabela 10); Ja – índice de influência da alteração das paredes das fraturas (Tabela 11); Jw – índice de influência da ação da água subterrânea (Tabela 12); SRF – índice de influência do estado de tensão do maciço (Tabela 13). 32 Tabela 8 – Principais Valores de RQD – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). Tabela 9 – Principais Valores de Jn – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). Tabela 10 – Principais Valores de Jr – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). 33 Tabela 11 – Valores de Ja – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). Tabela 12 – Valores de Jw – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). 34 Tabela 13 – Valores de SRF – Classificação geomecânica de BARTON et al, (1974). A nota final obtida para o maciço pode variar entre 0,001 até 1000, abrangendo as diversas variações dos maciços rochosos. Com a nota final pode-se relacionar o maciço a uma das nove classes, conforme a tabela 14. 35 Tabela 14 – Classes de maciços rochosos – Sistema Q (BARTON et al, 1974). 4.3. Classificação de Bieniawski – Sistema RMR Desenvolvido por Bieniawski em 1973, o sistema RMR (Rock Mass Rating), também conhecido como classificação geomecânica, foi sendo modificado com a inclusão de novos parâmetros, sendo hoje utilizada a classificação publicada em 1989. É baseada em seis parâmetros: resistência da rocha intacta; RQD; espaçamento de fraturas; condição das fraturas; água subterrânea; e orientação das descontinuidades. Para aplicar a classificação geomecânica o maciço rochoso é dividido primeiramente em regiões estruturais, onde as características sejam mais ou menos uniformes, e a classificação é aplicada para cada região considerando as características médias de cada uma (Bieniawski, 1989). Para cada um dos parâmetros é atribuído um peso relativo, de acordo com a Tabela 15. O sexto parâmetro é um valor de ajuste que avalia a relação da orientação das descontinuidades com o tipo de obra, podendo ser mais ou menos favorável. A Tabela 16 exemplifica o efeito das orientações das descontinuidades em relação ao eixo e sentidos de escavação em túneis, enquanto a Tabela 17 (Bieniawski e Orr, 1976) auxilia na estimativa da favorabildade da orientação das descontinuidades em relação à estabilidade de fundações de barragens. A Tabela 18 detalha os critérios para descrição das condições das descontinuidades. A nota final do maciço é dada pela somatória dos pesos dos parâmetros considerados, definindo as classes de maciços (Tabela 19). O sistema RMR associa ao final, para cada uma das cinco classes de maciço rochoso, uma estimativa do tempo médio de auto sustentação e vão livre da seção para o caso de túneis, e os valores de coesão (KPa) e de ângulo de atrito (Tabela 20). 36 Tabela 15 – Classificação geomecânica de Bieniawski (1989). Tabela 16 – Efeito da direção geológica e do mergulho na construção de túneis Tabela 17 – Efeito da direção geológica em fundações de barragens (Bieniawski e Orr, 1976). 37 Tabela 18 – Orientação para a classificação das condições das descontinuidades. Tabela 19 – Classes do maciço determinada pela soma total dos pesos. Tabela 20 – Significado das classes. Segundo Bieniawski (1989), o RMR é um sistema de aplicação simples, e os parâmetros utilizados são facilmente obtidos em furos de sondagem ou em mapeamentos geológicos. O autor não recomenda utilizar a classificação caso não se disponha de todos os dados, e sugere aplicar no mínimo duas classificações no desenvolvimento de um projeto, com a finalidade de checar os resultados obtidos. 4.4. Modelos Geomecânicos O modelo geomecânico contempla o meio rochoso no seu conjunto, envolvendo todas as informações necessárias a elaboração do modelo físico, sobre o qual o projeto de engenharia será desenvolvido. Deve abranger as características globais do maciço, como as classes geomecânicas, e as particularidades relevantes que possam condicionar o seu comportamento, como as descontinuidades, com seus respectivos parâmetros geomecânicos. 38 Elaborado após a caracterização e classificação do maciço, reúne todas as feições do meio rochoso, definidas espacialmente, de interesse ao projeto em questão. É, portanto, específico para o local estudado. 5. Sondagem Rotativa 5.1. Definição e equipamentos básicos A sondagem rotativa é um tipo de investigação feita com um tubo, denominado barrilete, dotado de uma peça cortante, feita com um material de alta dureza (coroa) em sua ponta, que perfura o terreno através de movimento de rotação. O barrilete geralmente tem uma camisa livre em seu interior para preservar o testemunho do terreno, que constitui a parte central da área anelar cortada pela coroa. Para rochas brandas utilizam-se coroas com pastilhas de widia. Para rochas de média a alta dureza, empregam-se coroas com diamante industrial, na forma de pequenos grãos incrustrados numa matriz, formada pela mistura de vários metais, submetidos à sinterização . Barrilete Duplo Móvel Coroa de Widia 39 Coroa de Diamante Existem barriletes e coroas de várias dimensões para permitir a execução das perfurações em série telescópica. Com isso é possível manter protegida, com revestimento, parte da parede do furo, constituído por material que pode desmoronar, enquanto a perfuração prossegue com um diâmetro menor. A série de diâmetros padronizados são denominados com as letras EW, AW, BW, NW, HW, etc. A primeira letra corresponde ao diâmetro do furo e a segunda (W) indica a rosca padronizada da composição de perfuração. Os diâmetros mais comuns estão apresentados na tabela 21. Tabela 21 – Diâmetros mais comuns de furos e testemunhos O equipamento básico para a sondagem rotativa consta de uma sonda motorizada, bomba de água, hastes, barriletes e coroas. Equipamentos básicos 40 Equipamentos básicos As sondas geralmente imprimem o avanço da perfuração, pressionando o hasteamento rotatório com macacos hidráulicos. A operação da sondagem rotativa se faz por ciclos sucessivos de corte e retirada dos testemunhos do interior do barrilete, procedimento este denominado manobra. O avanço de cada manobra depende basicamente da qualidade do material que está sendo perfurado. Quando a rocha é de boa qualidade, o comprimento do testemunho obtido em cada manobra pode ser igual ao comprimento do barrilete (3 a 5 m). Entretanto, quando ocorre a perda ou destruição de material, em terrenos de difícil amostragem, o comprimento de cada manobra deve ser diminuído, até o mínimo necessário. Para que o maciço rochoso seja bem representado pelo testemunho, recomenda-se que em cada manobra o comprimento da amostra não seja inferior a 95% do avanço. Intervalos localizados com baixa recuperação, dentro de um conjunto de boas amostras, podem ter origem em uma porção excepcionalmente ruim do maciço ou em algum problema no funcionamento do barrilete. Os trechos com baixa recuperação devido a deficiência de operação do equipamento devem ser indicados na caixa de testemunhos e no boletim de sondagem. Enfim, todos os fatos ocorridos durante a execução de uma sondagem devem ser criteriosamente registrados para que os resultados da investigação possam ser corretamente interpretados. 41 Não existe uma norma brasileira específica para a execução de sondagem rotativa. A referência nacional deste tipo de ensaio é o Manual de Sondagem da ABGE (Boletim nº 3 - Revisado - 4ª edição, 73 pág, ABGE,1999) e as Instruções Normativas para Execução de Sondagens, do DEINFRA (Departamento Estadual de Infra-Estrutura do estado de Santa Catarina, IN- 07/94). Estes manuais têm por objetivo orientar a execução da maior parte das atividades rotineiras relacionadas às sondagens geológico-geotécnicas. Tendo um formato genérico, é imprescindível que, na sua utilização, prevaleça sempre o julgamento criterioso de sua aplicabilidade, total ou parcial, de maneira a se tornar adequado às inúmeras situações e objetivos de uma investigação geológico-geotécnica específica. Os testemunhos obtidos nas sondagens devem ser guardados em caixas de madeira ou de plástico com tampa. Eles devem ser dispostos na sequência exata de sua posição no furo, da esquerda para direita e de cima para baixo. Quando, no local da sondagem rotativa, existe uma cobertura de material terroso, acima do maciço rochoso, o procedimento rotativo tem início a partir da profundidade em que a resistência do material atinge 50 golpes para 30 cm no SPT. Neste caso, a sondagem também é denominada sondagem mista. Caixas de testemunhos 42 5.2. Medida do nível d’água A posição do nível d’água, medida em furos, constitui informação fundamental nos trabalhos de Geologia de Engenharia. Não é rara a ocorrência de diferentes níveis d’água no terreno, correspondentes a aqüíferos confinados isolados por trechos de rocha pouco fraturada ou camadas quase impermeáveis de sedimentos. Nessas condições, o nível d’água no furo apresenta variações a medida que a perfuração avança, interceptando um maior número de feições permeáveis. Ao término da sondagem, o nível d’água medido no furo reflete o equilíbrio dinâmico dos níveis, com predominância daquele de maior transmissividade ou capacidade de aporte ou drenagem de água por furo. A água de circulação da sondagem também pode interferir no nível medido. Para evitar essa situação o ideal é esgotar o furo e, antes da medida, deve-se aguardar tempo suficiente para restabelecer o equilíbrio (geralmente 24 horas após conclusão da perfuração). 5.3. Orientação dos testemunhos A orientação dos testemunhos de sondagem e de todas as feições encontradas pode ser feita por procedimento que assinale, no topo da primeira amostra de uma manobra, uma marca de referência, possibilitando a definição da posição espacial da amostra coletada, quando ela ainda está incorporada ao maciço. Com um segmento de testemunho orientado é possível fazer uma montagem com os demais, acima e abaixo dele, desde que a recuperação seja adequada. 5.4. Recuperação de testemunhos Denomina-se recuperação dos testemunhos, a porcentagem entre o comprimento das amostras coletadas e o avanço da sondagem em cada manobra. Para medir o comprimento das amostras é preciso montá-las em uma calha que permita um bom ajuste entre os vários segmentos. 43 Recuperação de 100% de testemunho de rocha com comprimento de manobra de 3,00 metros 5.5. Amostragem integral Para se obter amostragem contínua em trechos cuja recuperação pelo método convencional é muito baixa, como por exemplo, rochas alteradas, torna-se necessário recorrer a uma técnica de amostragem integral. Só assim se poderá esperar que os materiais dessas zonas mais brandas sejam amostrados de forma a evidenciar-se a sua posição relativa ao longo do furo e a sua natureza. Nos processos correntes de perfuração por rotação não é possível, em geral, obter amostra dessas zonas, que são muitas vezes as mais importantes dos maciços, por condicionarem o seu comportamento mecânico. A técnica de amostragem integral desenvolvida no LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil – Lisboa), associada a sondagens rotativas, consiste no seguinte esquema (figura a seguir). Na primeira fase procede-se à perfuração de um trecho de 2 a 3 m com coroa de pequeno diâmetro (38 mm ou inferior). Na segunda fase, coloca-se um varão metálico de diâmetro inferior no interior do furo realizado e procede-se à introdução de uma calda de cimento rápida ou resina de forma a soldar o varão ao maciço rochoso e a permitir a penetração da calda em fraturas ou zonas esmagadas do trecho em questão. Na terceira fase, procede-se à reperfuração com coroa de maior diâmetro de forma a que a vara introduzida fique centrada neste furo. A amostra que se obtém é, em princípio, uma amostra integral, isto é, representativa de todos os tipos de terreno perfurados ainda que estes sejam de má qualidade (caso de zonas de alteração, enchimentos de falhas, etc.), e orientada (permitindo determinar a orientação das descontinuidades que nela ocorrem). Esse método de amostragem é empregado na caracterização de feições geológicas de um maciço rochoso, especialmente descontinuidades, 44 com duas finalidades principais: determinação da disposição espacial e qualidade da amostragem (recuperação de materiais moles, de preenchimento). Técnica de amostragem integral (LNEC) 5.6. Sondagem a Rotopercussão As perfuratrizes a ar comprimido são empregadas com muita freqüência em obras civis, na perfuração de rocha e concreto sem armação, com finalidades diversas, principalmente em perfurações para desmonte e tratamento de maciços rochosos (cortinas de injeção, drenagem, chumbadores, tirantes, etc.). Em casos particulares, a perfuração a rotopercussão é realizada como sondagem, embora não forneça amostras dos materiais perfurados, a não ser detritos da perfuração e a velocidade de avanço. É o caso da investigação de horizontes existentes no interior de maciços rochosos, como passagens friáveis, mudanças litológicas, feições geológicas de alta permeabilidade etc., quando não for necessária a obtenção de testemunhos. É um método de abertura de furos com o uso de equipamentos rotopercussivos, geralmente com propulsão pneumática. É de grande importância a observação dos detritos produzidos, assim como o registro de fenômenos importantes ocorridos durante a perfuração. 5.7. Ensaios em furos de sondagem rotativa Os furos de sondagem constituem de um privilegiado acesso ao interior do maciço com pouca interferência sobre suas características naturais. Neles são feitos vários tipos de ensaios para a determinação dos parâmetros do maciço em conjunto com suas descontinuidades. Os ensaios mais comuns em furos de sondagem rotativa são: ensaio de perda de água sob pressão e a videoscopia. 45 5.7.1. Ensaio de perda de água sob pressão O ensaio de perda d’água sob pressão, realizado em maciços rochosos através de furos de sondagens, visa a determinação da permeabilidade e do comportamento desses maciços frente a percolação de água através de suas fissuras. Consiste na injeção de água sob pressão num certo trecho de um furo de sondagem e na medida da quantidade de água absorvida pelo maciço rochoso durante um certo tempo, a uma dada pressão de injeção. É realizado para vários estágios de pressão. O esquema de montagem dos equipamentos do ensaio é apresentado na figura a seguir. Montagem do ensaio (ABGE, 1999) O ensaio é executado convencionalmente, em cinco estágios de pressão, para caracterizar o comportamento do maciço, e também, para diagnosticar possíveis problemas na sua execução, além de obter o valor da permeabilidade. A execução do ensaio é feita pela injeção de água, na pressão determinada para cada estágio. Após a estabilização do fluxo de água (em geral de 10 a 20 minutos), mede-se a vazão de injeção e a pressão correspondente, a cada minuto, durante 10 minutos no mínimo. O cálculo do valor de permeabilidade é feito considerando os mesmos parâmetros dos ensaios de infiltração, acrescentando a pressão manométrica da bomba d’água e subtraída a perda de carga na tubulação de ensaio. Critérios e métodode cálculo da permeabilidade estão contidos em ABGE (1999). 46 5.7.2. Perfilagem ótica (videoscopia) Câmeras de vídeo miniaturizadas e com fonte de luz permitem a obtenção de imagens das paredes dos furos, cujas distorções são corrigidas por meio de processamentos em computador, permitindo a obtenção de vistas planas. Equipamentos mais avançados podem reproduzir a figura tridimensional virtual dos testemunhos, a partir das informações das paredes, por meio de imagens digitais, permitindo obter as orientações das estruturas geológicas. A perfilagem ótica ou televisamento de furos consiste em um método de investigação, em que se obtém imagem contínua, colorida em 360° de paredes de furos de sondagem convencional ou perfurações com métodos destrutivos. O equipamento utilizado trata-se de uma ferramenta, constituída principalmente por uma câmera com espelho convexo, ligada a um cabo de aço especial que envia informações a uma central acoplada ao computador. Este sistema fornece imagens de “fatias” em 360°, que são empilhadas formando a imagem completa da parede do furo. O aparelho é equipado por um sistema de três magnetômetros e três gravímetros, além de contador de profundidades. Com isso a ferramenta fornece dados complementares de direção e inclinação dos furos. Câmera Este método traz a grande vantagem do tempo de execução, em relação com as sondagens convencionais. Outro grande ganho com esse equipamento é a precisão dos dados estruturais, como direção e mergulho, além da direção, inclinação e desvio dos furos. Como o objeto de trabalho é a imagem, limita-se a utilização do método para furos acima do nível de água. 47 6. Ensaio de envelhecimento em rochas O intemperismo é definido, em termos gerais, como todas aquelas mudanças que ocorrem devido a exposição de material rochoso a atmosfera. Os efeitos do intemperismo estão por toda parte. De um ponto de vista geológico, o intemperismo é importante por que ele transforma rocha sólida em fragmentos menores, decompõe esses fragmentos e os prepara para remoção pelos agentes de erosão. Os dois tipos principais de intemperismo são a desintegração mecânica e a decomposição química. O congelamento (expansão do gelo) é o tipo mais importante de intemperismo físico. Os 3 tipos principais de intemperismo químico são a oxidação, dissolução e hidrólise. O quebramento de uma massa rochosa em partículas menores, a primeira vista parece ser um pouco aleatório gerando uma infinidade de formas geométricas. Todavia, quando estudamos cuidadosamente, vemos que existe um sistema e ordem no processo. O quebramento mecânico de rochas e as formas da maioria dos fragmentos são condicionados por parâmetros tais como juntas, clivagem e outros planos de descontinuidade estrutural no material rochoso. Para realizar o estudo do comportamento da rocha quanto ao itemperismo pode-se realizar o ensaio de intemperismo acelerado ou teste de envelhecimento acelerado. Este ensaio é realizado em câmaras de envelhecimento (QUV). QUV é a câmara de envelhecimento ambiental acelerado, e é a câmara mais usada no mundo todo para ensaio de envelhecimento, pois gera a melhor simulação da luz solar com longitude de onda curta (Luz Ultravioleta UVA e UVB). Em poucos dias ou semanas, o QUV é capaz de reproduzir os efeitos que podem ocorrer ao longo de meses ou, até mesmo, anos em ambiente externo. Ensaios de alteração acelerada, em laboratório, visam o conhecimento da durabilidade da rocha em relação aos agentes intempéricos, além da investigação dos mecanismos de degradação para cada caso. As simulações de alteração procuram verificar as respostas das denominadas características intrínsecas à exposição a ambientes potencialmente degradadores. 7. Intemperismo + solos Solo é o resultado da desintegração e decomposição das rochas devido à ação dos intemperismos físico e químico. 48 Intemperismo Decomposição das Rochas Intemperismo Físico: desintegração das rochas formando sedimentos sem alterar a composição mineralógica da rocha mãe. Ex: variação da temperatura, congelamento da água, cristalização dos sais e ação física de vegetais. Intemperismo Químico: reações químicas entre os minerais constituintes da rocha e soluções aquosas de diferentes teores. Ex: hidrólise, hidratação, oxidação, carbonatação e ação química dos organismos e das matérias orgânicas. 7.1. Solos quanto à origem Solos quanto a origem (residuais e transportados) 49 ***Solos Orgânicos: são solos constituídos por matéria orgânica, oriundos da decomposição de vegetais e micro organismos. 7.2. Solos quanto à granulometria Os solos recebem designações segundo as dimensões das partículas compreendidas entre determinados limites convencionais, como mostra figura a seguir. Escalas granulométricas adotadas pela A.S.T.M., A.A.S.H.T.O, M.I.T. e ABNT. Nesta figura estão representadas as classificações adotadas pela A.S.T.M (American Society for Testing Materials), A.A.S.H.T.O. (American Association for State Highway and Transportation Officials), ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e M.I.T (Massachusetts Institute of Technology). No Brasil a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT/NBR 6502/95) – Terminologia - Rochas e Solos define como: Bloco de rocha – Fragmentos de rocha transportados ou não, com diâmetro superior a 1,0 m. Matacão – fragmento de rocha transportado ou não, comumente arredondado por intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 200 mm e 1,0 m. Pedregulho – solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro compreendido entre 2,0 e 60,0 mm. Quando arredondados ou semi-arredondados, são denominados cascalhos ou seixos. Divide-se quanto ao diâmetro em: pedregulho fino (2 a 6 mm), pedregulho médio (6 a 20 mm) e pedregulho grosso (20 a 60 mm). 50 Areia – solo não coesivo e não plástico formado por minerais ou partículas de rochas com diâmetros compreendidos entre 0,06 mm e 2,0 mm. As areias de acordo com o diâmetro classificam-se em: areia fina (0,06 mm a 0,2 mm), areia média (0,2 mm a 0,6 mm) e areia grossa (0,6 mm a 2,0 mm). Silte – solo que apresenta baixo ou nenhuma plasticidade, baixa resistência quando seco ao ar. Suas propriedades dominantes são devidas à parte constituída pela fração silte. É formado por partículas com diâmetros compreendidos entre 0,002 mm e 0,06 mm. Argila – solo de graduação fina constituída por partículas com dimensões menores que 0,002 mm. Apresentam características marcantes de plasticidade; quando suficientemente úmido, molda-se facilmente em diferentes formas, quando seco, apresenta coesão suficiente para construir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos. Caracteriza-se pela sua plasticidade, textura e consistência em seu estado e umidade naturais. Todos os solos, em sua fase sólida, contêm partículas de diferentes tamanhos em proporções das mais variadas. A determinação do tamanho das partículas e suas respectivas porcentagens de ocorrência permitem obter a função distribuição de partículas do solo e que é denominada distribuição granulométrica. A distribuição granulométrica dos materiais granulares, areias e pedregulhos, será obtida através do processo de peneiramento de uma amostra seca em estufa, enquanto que, para siltes e argilas se utiliza à sedimentação dos sólidos no meio líquido. Para solos, que tem partículas tanto na fração grossa (areia e pedregulho) quanto na fração fina (silte e argila) se torna necessária a análise granulométrica conjunta. As partículas de um solo, grosso ou fino, não são esféricas, mas se usará sempre a expressão diâmetro equivalente da partícula
Compartilhar