MR-03 Propriedade das Rochas Intactas

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Mecânica das Rochas
Rochas Intactas
Prof. Francisco Chagas da Silva Filho, DSc
Rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral, que se apresenta em grandes massas ou fragmentados. A rocha é usualmente caracterizada por sua densidade, deformabilidade e resistência.
ROCHAS INTACTAS
Escolha do local de amostragem
Processo de Amostragem
Transporte
Armazenamento
Preparação de Corpo de Prova (CP)
AMOSTRAGEM E PREPARAÇÃO DE CORPOS DE PROVA
PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS
Projeto de obras apoiadas ou escavadas em rocha
 Estado de tensões in-situ
 Estado de tensões induzidas
 Prop. das rochas e desc.
 Influência do tempo nas propriedades
rocha Intacta
descontinuidades simples
duas descontinuidades 
varias descontinuidades
maciço rochoso
9
	A maioria dos maciços rochosos são muito fraturados. Sendo assim, a escala (tamanho) das estruturas é que determina o tipo de propriedades que controlam o comportamento da estrutura:
			• rocha intacta
			• maciço rochoso
ESTUDO DAS PROPRIEDADES
	Exemplo
	
	perfuração de um furo 	rocha intacta
	pequeno túnel	poucas descontinuidades
	caverna subterrânea (ou escavações de grandes dimensões)	maciço rochoso fraturado (maciço isotrópico fraturado partículas angulosas embricadas)
 A transição do comportamento controlado por rocha intacta ou maciço rochoso depende do tamanho da amostra, da zona de influência ou da zona de interesse.
 Cada faixa de comportamento apresentara propriedades diferentes (deformabilidade, permeabilidade e resistência) e exibirá:
Modos de ruptura
e
Critérios de ruptura
diferentes:
ESTUDO DAS PROPRIEDADES
1.- Descrever a resposta da rocha intacta sob uma vasta faixa de solicitações.
2.- Provar a influencia de uma ou mais conjuntos de 
descontinuidades no comportamento (anisotropia dependendo das orientações das descontinuidades).
3.- Propriedades dos maciços muito fraturados
Na pratica, pode-se perceber que a quantidade e qualidade dos dados decresce rapidamente com o aumento do tamanho e volume das amostras (amostra intacta  teste in-situ de maciços rochosos)
PROGRAMAS DE DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES
ROCHA INTACTA:	dados confiáveis em grande volume para quase todos os tipos de rocha, estado de tensões e temperatura.
MACIÇO ROCHOSOS E DESCONTINUIDADES: poucos dados e pouco confiáveis devido as dificuldades experimentais.
ESTRATEGIA DE SOLUÇÃO
 Rocha intacta: 
Descontinuidades:
 Maciço rochoso:
propriedades
critérios de ruptura
métodos de ensaio
propriedades
critérios de ruptura
métodos empíricos 
modelos reduzidos
efeito escala
medidas de campo
critérios empíricos
PROGRAMAS DE DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES
COMPORTAMENTO DEPENDENTE DO TEMPO
Goodman (1989)
Ulusay & Hudson (2007) The Complete ISRM Suggested Methods ...
Variedade de estrutura, textura
e componentes
Medidas
básicas
descrição
quantitativa
do material
MEDIDAS BÁSICAS
1.- TEOR DE UMIDADE
2.- DENSIDADE: mineralogia, grãos constituintes
3.- POROSIDADE: relação entre sólidos e vazios
4.- VELOCIDADE SÔNICA: grau de fissuramento, elástico
5.- DURABILIDADE: degradação do material com tempo
6.- RESISTÊNCIA: competência da estrutura 
7.- PERMEABILIDADE: interconexão entre poros
PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS
Propriedades índice podem ajudar a classificar a rocha para aplicações relacionadas com o comportamento da rocha intacta mas não do maciço rochoso:
		- perfuração de furos
		- facilidade de corte
		- seleção de agregados
		- análise do rip-rap
Já escavações de superfície ou subterrâneas envolvem o maciço e testam as descontinuidades, muito mais que a rocha intacta;
 Sistema de classificações.
PROPRIEDADES E ÍNDICES FÍSICOS DAS ROCHAS
UMIDADE NATURAL
É obtida a partir de amostra de campo, onde, após o processo de extração da amostra. Retira-se fragmentos de rocha que devem ser guardados em recipientes hermeticamente fechados (ex.: saco plástico), com o objetivo de que a mesma não perca sua umidade. Já em laboratório, os fragmentos devem passar por procedimento similar a determinação da umidade do solo. Primeiro pesa-se a amostra úmida, depois esta é levada à estufa, que posteriormente é pesada novamente (peso seco), determinando desta forma sua umidade natural.
Secagem em estufa a 105 graus em 24 h
Secagem usando sílica gel
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Peso específico aparente da rocha ( = kN/m3), Densidade real (ou gravidade específica) Gs :
				
Gs pode ser obtido usando o picnômetro (solos)
Determinação do Gsi e volume Vi como percentagem de cada tipo de mineral por microscópica.
				Gi: tabelas para os minerais 					 mais comuns
DENSIDADE E PESO ESPECÍFICO
å
=
=
n
i
i
i
V
G
G
1
)
1
(
n
G
w
d
-
=
g
g
w
d
+
=
1
g
g
G
w
G
w
n
×
+
×
=
1
ROCHA prof.
G
granito
basalto
2,60
2,70
rocha sal
carvão
2,06
0,7 a 2,0
mármore
2,70
folhelho
300 m
900 m
1500 m
2,21
2,47
2,57
- Apresenta uma grande variedade em relação a solos
- É de grande importância para a determinação de tensões in-situ, ou o tipo de agregado para barragens e muros de gravidade.
- Para rochas com óleo, gás ou carvão a densidade indica o conteúdo destes materiais.
MÉTODOS DE ENSAIO:  Volume e Peso
DENSIDADE 
DENSIDADE 
t
v
V
V
n
=
Vv: volume de vazios
Vt: volume total
Rochas Sedimentares: varia de 0 a 0,9; típico para arenitos 0,15 e decresce com a idade e a profundidade
Rocha
Idade
Profundidade
n
arenito
arenito
folhelho
“
“
“
cambriano
cretáceo
cretáceo
“
“
“
superficial
superficial
200 m
150 m
1000 m
1800 m
0,11
0,34
0,34
0,25
0,21
0,08
POROSIDADE
Aparente ou total
Algumas rochas vulcânicas apresentam também altas porosidades devidas as bolhas de gás (vazios que não são conectados) Exemplo: Tufo - 40%
	propriedades são extremamente dependentes do
	estado de tensões (profundidade)
Rochas ígneas: n = 1 a 2% exceto quando alteradas
	granito 				 	0 a 1%
	granito recém alterado	 		 	1 a 5%
	granito decomposto (saprolito)	 	20%
POROSIDADE
Porosidade pode ser uma análise preliminar de qualidade de rochas
Capacidade de armazenamento de certas rochas para uso em reservatórios de petróleo.
MÉTODOS DE TESTE:
	
	1. saturação e secagem
O processo de saturação e secagem da amostra é repetido até que sejam obtidos valores de peso constantes
	3. Por meio do exame de lâmina delgada, fazendo uma contagem dos poros por meio do microscópio polarizador (corante)
POROSIDADE
POROSIDADE
ASTM D2845-83
Vp: vel. longitudinal
Vs: vel. Transversal
-  
- tempo de percurso
- propriedades elásticas
å
=
pi
p
V
C
V
*
1
C: percentagem do mineral
Vpi: velocidade do mineral
 (tabela)
VELOCIDADE SÔNICA
L
Emissor
Receptor
Vs
Vp
Fonte de 
Freqüência
Leitura
p
V
*
: velocidade se a rocha não tivesse vazios
MINERAL
Veloc.
quartzo
magnetita
gipsum
pirita
6050
7400
5200
8000
ROCHA
Veloc.
basalto
calcario
arenito
granito
sal
6500-7000
6000-6500
6000
5500-6000
4500
%
100
*
%
×
=
Vp
Vp
IQ
VELOCIDADE SÔNICA
VELOCIDADE SÔNICA
- Alteração de propriedades 
exfoliação
hidratação
solução
oxidação
abrasão, etc. 
- Alguns folhelhos e rochas vulcânicas deterioram-se muito rápido assim que expostas
- Felizmente são na maioria apenas superficial
- Difícil de reproduzir os caminhos da natureza em laboratório 
 É necessário índices de durabilidade 
	
DURABILIDADE
O índice de durabilidade proposto por Franklin e Chandra (1972), conhecido também como slake durability index (Id)
-> Aplicação de ciclos de molhagem e secagem
DURABILIDADE
O índice de durabilidade proposto por Franklin e Chandra (1972), conhecido também como slake durabilityindex (Id)
Aplicação de ciclos de molhagem e secagem
DURABILIDADE
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
onde:
σc – resistência à compressão uniaxial máxima ou última;
P – carga de ruptura;
A – área inicial da amostra.
sc
=
A
P
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
onde:
Is – índice de carga puntiforme (kN/m2);
P – carga de ruptura (kN);
D – distância entre os cones de carregamento (m2).
Is
=
D²
P
- Índice de carga puntiforme
Ensaios diametrais
O índice de resistência à carga puntiforme Is é correlacionado empiricamente com a resistência à compressão uniaxial através da expressão:
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
- Índice de carga puntiforme
onde:
σc – é a resistência à compressão simples;
Is – é o índice de resistência ao carregamento puntiforme;
C – é uma constante que depende do diâmetro da amostra 
	Diâmetro da amostra (mm)	Constante C
	20	17,5
	30	19,0
	40	21,0
	50	23,0
	60	24,5
sc = CIs 
O índice de esclerômetro de Schmidt é correlacionado empiricamente com a resistência à compressão uniaxial através de abacos
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
- Índice do esclerômetro de Schmidt
Ensaio direto.
10% da resistência à compressão uniaxial
O ensaio mais utilizado para determinação da resistência à tração de uma amostra de rocha é o ensaio de tração indireta ou compressão diametral, que é também conhecido como ensaio brasilerio ou Lobo Carneiro.
 
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
PERMEABILIDADE
- Aplicação direta para o bombeamento de água, óleo, gás; armazenamento de fluidos ou rejeitos; perda de reservatórios; rebaixamento de lençol freático e entrada de água em obras subterrâneas.
- Obviamente as descontinuidades são os fatos mais importantes  testes de bombeamento in-situ.
Com ensaios em laboratório determinamos o grau de interconexão de poros e fissuras (na rocha intacta).
A permeabilidade pode ser determinada, no laboratório, medindo-se o tempo necessário que um dado volume de fluido, sob pressão, leva para percolar através da amostra. 
PERMEABILIDADE
- Permeabilidade radial de Bernaix (1969)
Fluxo convergente
Q – vazão do fluido;
L – comprimento da amostra;
R2 – raio externo da amostra;
R1 – raio interno da amostra;
P – pressão aplicada na amostra.
PERMEABILIDADE
N
E
W
S
N
E
W
S
Talude
Talude
N
E
W
S
N
E
W
S
N
E
W
S
a)
b)
b)
c)
d)
Concentração de polos
Descontinuidade
Descontinuidades
orientadas aleatoriamente
100
90
75
50
25
10
10
20
30
40
50
60
IQ (%)
n (%)
Não fissurada
Pouco fissurada
Moderadamente fissurada
Muito fissurada
Extrem. fissurada
I
II
III
IV
V
 
400
350
300
250
200
150
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
100 20 30 40 50 60
100 2030405060
100 2030405060
100 2030405060
100 2030405060
20
22
24
26
28
30
32
±50±100±150±200±250
Resistência à compressão uniaxial [MPa]
Peso específico da rocha [kN/m^3]
Orientação do esclerômetro
Dispersão média da RCU para
a maioria das rochas [MPa]
Índice do esclerômetro de Schmidt- Tipo L
L
D
P
b
t
.
.
2
,
p
s
=
t
D
P
t
D
P
 
)ln(
..2
1
2
R
R
PL
Q
K

