MECÂNICA DAS ROCHAS CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA Prof.: Areosvaldo Oliveira Castro
CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA A natureza do maciço rochoso é muito complexa, portanto precisa-se de ferramentas teóricas que permitam analisar o controle de seu comportamento. Para resolver este problema se idealizam modelos teóricos que só conseguem analisar um determinado processo num tempo e espaço determinado, onde o bom senso e a experiência prática são partes importantes. Caso se possa contar com esta experiência passada (projeto e construção de uma escavação em condições similares às apresentadas), as decisões do projeto atual poderão ter um certo grau de confiança.
HISTÓRICO
Como definição geral, podemos dizer que as classificações geomecânicas são procedimentos que agrupam maciços em categorias de comportamento similar, relacionando estas categorias com soluções típicas para diversos problemas de engenharia. Os principais objetivos dos sistemas de classificações são: - Identificar os parâmetros de comportamento do maciço
o
rochoso; o
- Dividir o maciço rochoso em zonas de comportamento similar;
- Prover uma base para a compreensão das características de cada maciço; o
o -
Correlacionar a experiência de um local com a encontrada em outros; o o
- Obter dados quantitativos e orientações para o projeto;
HISTÓRICO Classificaçã o
Autor, data
Orige m
Aplicações Originais
Observações
Carga de rocha
Terzaghi, 1946
EUA
Túneis com suporte metálicos
Amplo emprego nos EUA por 40 anos; inadequada para os métodos modernos de execução de túneis (ancoragens e concreto projetado).
Tempo de autosustentação
Lauffer, 1958
Áustria
Túneis
Introduziu o conceito de vãos livres sem suporte e seu tempo de auto-sustentação, em função da qualidade do maciço; muito conservadora para aplicação nos métodos.
EUA
Descrição de testemunhos e túneis
Simples descrição das condições de um testemunho de sondagem rotativa; parte integrante dos sistemas modernos de classificação; não considera condição de superfície de juntas e materiais de preenchimento; muito sensível aos efeitos de orientação dos testemunhos. Introduziu as avaliações numéricas “ratings” e ponderações para correlacionar a qualidade do maciço com dimensões das escavações e suportes necessários; base para os sistemas subseqüentes mais empregados do nível internacional.
RQD
Deere et al.,1967
RSR
Wickham et al., 1972
EUA
Túneis com suporte metálicos
Sistema RMR
Bieniaws ki, 1973
África do Sul
Túneis e minas
Evolução dos sistemas anteriores; amplamente alterado em relação à versão original (1974, 75, 76, 79, 84); desenvolvido com base em 49 casos históricos. Versão atualizada conta com 268 casos reais (Bieniawski, 1989).
Sistema Q
Barton et. al., 1974
Noruega
Túneis e cavidades amplas
Baseado no método do RQD; introdução de quatro parâmetros adicionais: número e condição das juntas, condições de água subterrânea, tensões nas vizinhanças da escavação; desenvolvido com base em mais de 200 casos reais.
SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA Os dois sistemas mais utilizados são:
Sistema RMR (Bieniawski, 1973 e 89); considera a orientação das descontinuidades.
Sistema Q (Barton, 1974). considera o estado de tensões no maciço.
SISTEMA RMR Desenvolvido para túneis; Bieniawski em 1974 propôs um sistema empírico
Com geometria em ferradura; Escavados a “fogo”; sv > 25 MPa.
A última versão apresentada por Bieniawski (1989), utiliza seis parâmetros de classificação: Resistência uniaxial da rocha; Índice de qualidade da rocha (RQD); Espaçamento das descontinuidades;
Padrão das descontinuidades; Ação da água subterrânea; Orientação das descontinuidades.
SISTEMA RMR
O sistema RMR é apresentado em tabelas, as quais atribui pesos para os seis parâmetros anteriormente citados. Estes pesos são somados, obtendo-se o valor de RMR (máximo de 100 pontos), e conseqüentemente o tipo de maciço. RMR = ( dos pesos )
ÍNDICE DE QUALIDADE DA ROCHA (RQD) Comprimento total corpo de prova cilindrico = 200 cm. L = 38 cm
RQD =
S comprimento de partes do corpo de prova > 10 cm Comprimento total do corpo de prova
x 100%
L = 17 cm RQD = L=0 nenhuma parte > 10 cm. L = 20 cm
L = 35 cm Quebra pela amostragem L=0 não recuperado
38 +17 + 20 +35 200
x 100% = 55%
O índice RQD (Rock Quality Designation), foi definido por Deere et al. (1967) para dar uma estimativa quantitativa da qualidade do maciço rochoso, através de testemunhos obtidos de sondagens rotativas. O RQD é definido como a percentagem de partes intactas do testemunho maiores que 100 mm em relação ao comprimento total do testemunho (inferior a 2 m).
SISTEMA RMR A PARÂMETROS DE CLASSIFICAÇÃO COM SEUS PESOS Parâmetro Índice de carga puntiforme >10 Resistência da rocha intacta Resistência a (MPa) compressão >250 uniaxial Peso 15 RQD (%) 90-100 Peso 20 Espaçamento das >2 m descontinuidades Peso 20
1 2 3 4
5
Padrão das descontinuidades (ver tabela E)
Faixa de valores 4-10
2-4
s
( c) 100-250
50-100
25-50
5-25
12 75-90 17
7 50-75 13
4 25-50 8
2
0,6-2 m
200-600 mm
60-200 mm
<60 mm
15
10
1-5
<1
1 <25 3
0
5 Espessura de preenchimento com material argiloso >5 mm ou abertura persistente >5mm.
25
20
8 Superfície estriada ou espessura de preenchimento <5 mm ou abertura persistente de 1-5 mm 10
<10
10-25
25-125
>125
<0,1
0,1-0,2
0,2-0,5
>0,5
úmido
molhado
gotejamento
fluxo abundante
10
7
4
0
Superfície muito Superfície pouco Superfície pouco rugosa, e sem rugosa e rugosa e muito alteração, levemente alteradas, fechadas e sem alteradas, abertura <1 mm persistência abertura <1 mm
Peso 30 Vazão de infiltração por 10 nulo m de túnel (l/m) Ação da água (pressão de água subterrânea 0 na junta)/s1 Condições gerais Completamente no maciço seco Peso 15
1-2
Para menores valores, recomenda-se ensaio
0
SISTEMA RMR B CORREÇÃO POR DIREÇÃO E ORIENTAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES (ver Tabela F) Direção e orientação do mergulho Muito Favorável Favorável Moderado Desfavorável Muito Desfavorável Túneis e minas 0 -2 -5 -10 -12 Pesos Fundações 0 -2 -7 -15 -25 Taludes 0 -5 -25 -50 -60 C DETERMINAÇÃO DAS CLASSES DO MACIÇO ROCHOSO EM FUNÇÃO DO PESO TOTAL Peso <21 100 81 80 61 60 41 40 21 Número da classe I II III IV V Descrição Excelente Bom Regular Ruim Péssimo D COMPORTAMENTO DO MACIÇO ROCHOSO POR CLASSE Número da classe I II III IV V Tempo médio de auto20 anos / 15 m 1 ano / 10 m 1 semana /5 m 10 h / 2,5 m 30 min /1 m sustentação / tamanho do vão Coesão do maciço rochoso (kPa) >400 300-400 200-300 100-200 <100 Ângulo de atrito do maciço rochoso >45 35-45 25-35 15-25 <15 ( o) E GUIA PARA A CLASSIFICAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES Persistência / Comprimento (m) <1 1-3 3-10 10-20 >20 Peso 6 4 2 1 0 Abertura / Espessura (mm) Nula <0,1 0,1-1,0 1-5 >5 Peso 6 5 4 1 0 Rugosidade Muito rugosa Rugosa Pouco rugosa Lisa Superfície estriada Peso 6 5 3 1 0 Preenchimento (característica) / Nulo duro / <5 duro / >5 mole / <5 mole / >5 Espessura (mm) 6 4 2 2 0 Peso Grau de Alteração (Intemperismo) Inalterada Levemente alterada Moderada. alterada Fortemente alterada Decomposta Peso 6 5 3 1 0 F EFEITOS DA DIREÇÃO E ORIENTAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES, EM TÚNEIS* Direção Perpendicular ao eixo do Túnel Direção Paralela ao eixo do Túnel o o Ângulo de mergulho 45-90 Ângulo de mergulho 20-45 Mergulho 45-90o Mergulho 20-45o Muito Favorável Favorável Muito Favorável Desfavorável Ângulo de mergulho contrário 45Ângulo de mergulho contrário 20-45o Mergulho de 0-20o sem relação a direção 90o Desfavorável Muito Desfavorável Desfavorável
CRITÉRIO DE HOEK & BROWN A Lei de Coulomb é normalmente válida para solos, alguns tipos de rocha intacta e descontinuidades lisas e planas ou aquelas preenchidas por solos de granulometria fina. No entanto, para maciços rochosos, nota-se claramente uma não linearidade para o gráfico s versus t. Assim, Hoek & Brown (1980) sugeriram uma curva para a envoltória de ruptura de maciços rochosos definida pela seguinte equação:
s1 = s 3 +
2
m s3 sc + s sc
CRITÉRIO DE HOEK & BROWN O critério de ruptura mais geral de Hoek & Brown é dado pela seguinte equação:
s3 s = s 3 + s c mb + s sc ' 1
'
'
a
Para o cálculo das constantes mb, a, e s, se utiliza o índice de resistência geológica GSI (Hoek, 1994).
CRITÉRIO DE HOEK & BROWN Hoek (1994) definiu então o Índice de Resistência Geológica (GSI). Para aplicar o GSI utiliza-se a relação mb/mi com GSI onde mi é uma constante da rocha intacta, definida nas tabelas de Hoek et al. (1995):
mb GSI 100 = exp mi 28 14 D A relação das constantes s e a em relação a GSI são:
GSI 100 s = exp 9 3D
1 1 GSI 15 20 3 a = + e e 2 6
CRITÉRIO DE HOEK & BROWN Para o cálculo de GSI padronizou-se o uso do RMR, versão 1976, ou o RMR de 1989 menos 5 pontos: para RMR76 > 18: GSI = RMR76
para RMR89 > 23: GSI = RMR89 - 5
Quando o valor de RMR76 < 18 ou 23, deve-se utilizar o sistema Q. Para sua utilização não se considerará a parcela J w/SRF na determinação do critério de ruptura, já que estes fatores devem ser considerados no projeto, logo:
RQD Jr = Q' Jn Ja
GSI = 9 ln Q’ + 44
APLICAÇÃO
Resistência da rocha intacta (MPa)
200
RQD (%)
80
Espaçamento entre descontinuidades (m)
Padrão das descontinuidades
Ação da água Orientação das descontinuidades
0,6 a 2
Superfície rugosa (<1mm)
Maciço úmido (chuvas) Influência moderada