CARACTERIZAO GEOTCNICA

DE MACIOS ROCHOSOS DE BAIXA RESISTNCIA

O FLYSCH DO BAIXO ALENTEJO

ANTNIO BASTOS DE PINHO

UNIVERSIDADE DE VORA

VORA, 2003

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CARACTERIZAO GEOTCNICA

DE MACIOS ROCHOSOS DE BAIXA RESISTNCIA

O FLYSCH DO BAIXO ALENTEJO

ANTNIO BASTOS DE PINHO

Dissertao apresentada Universidade de vora para obteno do grau de Doutor em Geologia

UNIVERSIDADE DE VORA

VORA, 2003

Ao Joo Pedro, meu filho, a minha maior fonte de energia e nimo, para superar os momentos mais difceis, e lutar por um futuro melhor. Isabel, minha esposa, amiga e colega, porque o seu carinho, amor, amizade e pacincia tm sido imprescindveis para mim.

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AGRADECIMENTOS O autor deseja expressar o seu agradecimento e reconhecimento a todas as pessoas e entidades que se interessaram e contribuiram para a concretizao deste trabalho. Em particular, deseja agradecer: Ao Professor Doutor Jos Alcino Rodrigues Carvalho, Orientador do presente trabalho, as interessantes sugestes, os ensinamentos, o permanente estmulo, o inexcedvel apoio e disponibilidade demonstrados durante a realizao do trabalho e ainda, pela sugesto do tema e reviso crtica do texto, comentando-o e sugerindo alteraes. Os seus ensinamentos e orientao, assim como, a compreenso e amizade demonstradas, foram fundamentais para a concretizao desta dissertao. Ao saudoso Professor Doutor Francisco Gonalves, os preciosos ensinamentos sobre a Geologia Regional, os quais, muito facilitaram o reconhecimento de campo e o enquadramento geolgico das formaes estudadas no presente trabalho. Os seus conselhos e sugestes, foram uma contribuio valiosa para a minha formao pessoal e profissional; a sua tica e humanitarismo, assim como, o seu grande profissionalismo e competncia cientfica, fazem do Professor Francisco Gonalves uma referncia importante na minha vida pessoal e acadmica. Ao Professor Doutor Celso Figueiredo Gomes, os ensinamentos e sugestes sobre a caracterizao qumica e mineralgica das rochas estudadas, o incentivo, a permanente disponibilidade e inexcedvel amizade demonstradas. Agradeo as facilidades concedidas para a realizao dos ensaios de caracterizao qumica e mineralgica. Ao Centro de Estudos de Geologia e Geotecnia de Santo Andr (CEGSA), na pessoa do seu Director, Engenheiro Alberto Silva, as facilidades concedidas no acesso bibliografia da especialidade, durante a pesquisa bibliogrfica, assim como, na utilizao das instalaes e equipamentos de laboratrio, durante a realizao dos ensaios mecnicos e alguns ensaios fsicos. Ao Engenheiro Alberto Silva, Sr. Ramalhete e a todos os funcionrios de CEGSA, agradeo o apoio, a disponibilidade e a inexcedvel amizade. Ao Departamento de Geocincias da Universidade de Aveiro, as facilidades concedidas para a realizao das anlises qumicas e mineralgicas nos seus laboratrios. BRISA Auto-Estradas de Portugal S.A., pelas facilidades concedidas na utilizao da amostragem obtida durante o Estudo Prvio da A2 Auto-estrada do Sul sublano Almodvar-Salir. Agradeo, em particular aos Engenheiros Mrio Cardoso e Almeida Mendes, Engenheira Dora Baptista e ao Dr. Rui Beja, todo o apoio prestado. Ao INAG, em particular ao Engenheiro Armindo Lopes, por todo o apoio prestado e pelas facilidades concedidas na utilizao da amostragem obtida junto barragem do Funcho. COBA, Consultores de Engenharia e Ambiente, em particular ao Dr. Ral Pistone e Engenheiro Rui Abreu, as facilidades concedidas e o apoio prestado no acesso amostragem da A2 - Auto-estrada do Sul, utilizada no presente trabalho.

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Aos colegas e funcionrios do Departamento de Geocincias em particular, e da Universidade de vora em geral, que directa ou indirectamente contriburam para a realizao desta dissertao. Engenheira Mariana Honrado pela colaborao prestada na colheita de amostras e na realizao de alguns ensaios de caracterizao fsica e de alterabilidade. Ao Engenheiro Francisco Rosa, a inexcedvel amizade, o permanente apoio, disponibilidade e colaborao durante a realizao do presente trabalho. A sua colaborao foi fundamental e imprescindvel para a concretizao desta dissertao. Por ltimo, desejo expressar a minha gratido Famlia e Amigos, pelo permanente incentivo, apoio e pacincia, principalmente, nos momentos de menor nimo, ajudando a super-los, quer ao longo de toda a minha vida acadmica, quer durante a realizao deste trabalho, de forma a possibilitar a concretizao deste objectivo.

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RESUMO O presente trabalho visa contribuir para o conhecimento das caractersticas geotcnicas das rochas e macios rochosos que constituem as formaes turbidticas do Grupo do Flysch do Baixo Alentejo (FBA). Este trabalho insere-se no mbito das rochas e macios rochosos de baixa resistncia, e apresenta uma perspectiva do estado actual do conhecimento sobre esta temtica. As formaes do FBA so constitudas por sequncias espessas de turbiditos, nas quais as bancadas centimtricas a mtricas de grauvaques alternam com nveis de rochas pelticas (s.l.), finamente estratificados, contendo por vezes, intercalaes de conglomerados. Toda a sedimentao das formaes turbidticas em estudo, dever ter sido controlada pela tectnica. Simultaneamente com a primeira fase de deformao hercnica, ter ocorrido um evento metamrfico de baixo grau (zona da clorite) que afectou estes depsitos com caractersticas do tipo flysch. Efectuou-se uma caracterizao das principais propriedades fsicas, mecnicas e de alterabilidade, dos principais littipos do FBA, nomeadamente, as rochas pelticas (xistos argilosos e filitos) e os grauvaques. Este estudo laboratorial teve como objectivo avaliar as propriedades mais adequadas para a sua caracterizao geotcnica. Os materiais rochosos referidos foram ainda caracterizados do ponto de vista textural, qumico e mineralgico. O estudo experimental realizado no mbito do presente trabalho, deu nfase aos aspectos relacionados com a alterao e a alterabilidade das rochas do FBA, designadamente, a descrio e avaliao do estado de alterao e a sua influncia nas caractersticas mineralgicas e fsicas destes materiais rochosos. analisada a influncia da anisotropia no comportamento geotcnico das rochas estudadas, nomeadamente na expansibilidade e na resistncia. A caracterizao fsica e mecnica dos littipos do FBA foi difcil de realizar, sobretudo no caso das rochas pelticas, devido anisotropia e a heterogeneidade destes materiais rochosos. A anisotropia verificada nos valores obtidos para algumas propriedades originada pela foliao, a qual, para alm de dificultar a preparao de amostras para os ensaios de laboratrio, origina uma disperso acentuada dos valores de algumas propriedades, como por exemplo, a expansibilidade, a resistncia ou a deformabilidade. A heterogeneidade est relacionada com o facto dos xistos e dos grauvaques ocorrerem em regra, finamente estratificados, o que por vezes, afecta a representatividade dos resultados obtidos nos ensaios laboratoriais. A heterogeneidade e anisotropia reveladas no comportamento das rochas do FBA, tambm se verificam escala do macio rochoso. Os macios de FBA so caracterizados por uma grande complexidade estrutural, constituda por numerosos dobramentos e zonas de cisalhamento, que afecta as sequncias metasedimentares constitudas pela alternncia de xistos e grauvaques com propriedades mecnicas distintas. Como resultado da sua estrutura complexa os macios apresentam uma faixa de alterao com limites irregulares, por vezes, com desnveis de vrios metros entre o substrato so a pouco alterado e a zona alterada do macio constituda por rochas brandas e solos residuais.

ABSTRACT This work aims to contribute to the knowledge of the geotechnical characteristics of rocks and rock masses that constitute the flysch formations of the Baixo Alentejo Flysch (FBA). It is inserted in the scope of the weak rocks and weak rock masses and it presents a perspective on the current state of affairs in this subject. The FBA formations are flysch-type deposits constituted by sequences of usually thick greywacke beds that alternate with thin shale beds, which include sometimes intercalations of conglomerate beds. All the sedimentation of these Flysch formations should be controlled by tectonics. Simultaneously, with the first Hercynian deformation phase a low-grade metamorphic event (clorite zone) that affected these flysch deposits should have occurred. The main physical, mechanical and weathering properties of the shales and greywackes of FBA were studied, especially the shales ones. The purpose of this laboratory study was the assessment of the more appropriate properties to the geotechnical characterization of the rocks studied, as well as a textural, chemical and mineralogical characterization. This study emphasizes the aspects related to the weathering of the rocks belonging to the FBA, particularly the description and assessment of the weathering state and its influence on the physical and mineralogical characteristics of these rock materials. It is analysed the influence of anisotropy on the geotechnical behaviour of the rocks studied, namely on the swelling and on the strength. The physical and mechanical characterization was a difficult task, chiefly in shales, due to the anisotropy and heterogeneity of these rock materials. The anisotropy verified in some properties is caused by foliation, which besides making the sample preparation difficult to the laboratory tests, it also gives rise to a scattering of the measured properties values, e.g. swelling, strength and deformability. The heterogeneity is related to the typical characteristics of the FBA flysch formations, where thinly stratified greywacke and shale beds are common, which sometimes may affect the laboratory tests results making them less representative. The heterogeneity and anisotropy revealed in the rocks of FBA, are also verified at rock mass scale. The rock masses of FBA are characterized by a great structural complexity, with intense folding and shearing, that affects the flysch formations with alternation of shales and greywackes beds with distinct mechanical properties. As a result of its complex structure the rock masses of FBA present a weathering zone with irregular boundaries, sometimes several metres unlevelled between the fresh to slightly weathered rock mass and the highly to completely weathered rock mass constituted by weak rocks and residual soils.

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IX

NDICE GERAL AGRADECIMENTOS RESUMO ABSTRACT NDICE GERAL NDICE DE FIGURAS NDICE DE QUADROS SIMBOLOGIA ABREVIATURAS CONSIDERAES INICIAIS CAPTULO 1 1 - Rochas e macios rochosos de baixa resistncia 1.1 - Sntese histrica sobre o estudo das rochas de baixa resistncia 1.2 - Conceito de rocha branda

1.2.1 - Classificao das rochas brandas 1.3 - As rochas brandas no espectro geotcnico dos materiais

1.3.1 - O espectro geotcnico contnuo dos materiais 1.4 - Tipos de rochas brandas 1.5 - Formas de ocorrncia das rochas brandas escala do macio rochoso 1.6 - Problemas geotcnicos relacionados com as propriedades intrnsecas das rochas brandas CAPTULO 2 2 - Caracterizao geotcnica de rochas e macios de baixa resistncia 2.1 - Introduo 2.2 - Amostragem 2.3 - Ensaios de laboratrio

2.3.1 - Anlise micropetrogrfica 2.3.2 - Ensaios ndice 2.3.3 - Ensaios mecnicos

2.4 - Ensaios in situ 2.4.1 - Ensaio de corte directo in situ 2.4.2 - Ensaios de deformabilidade in situ 2.4.3 - Determinao do estado de tenso in situ 2.4.4 - Ensaios de permeabilidade in situ 2.4.5 - Prospeco geofsica

2.5 - Trabalhos experimentais a grande escala 2.6 - Observao e instrumentao CAPTULO 3 3 - Enquadramento geolgico 3.1 - Geomorfologia 3.2 - Geologia Regional

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3.2.1 - Macio Ibrico 3.2.2 - Zona Sul Portuguesa

3.2.2.1 - Estratigrafia 3.2.2.2 - Metamorfismo 3.2.2.3 - Tectnica

3.2.3 - Grupo do Flysch do Baixo Alentejo 3.3 - Hidrogeologia CAPTULO 4 4 - Estudo experimental das rochas do Flysch do Baixo Alentejo 4.1 - Metodologia 4.2 - Recolha de informao e investigao de campo 4.3 - Descrio dos locais de amostragem

4.3.1 - Amostragem de superfcie 4.3.2 - Amostragem de profundidade

4.4 - Ensaios de laboratrio 4.4.1 - Caracterizao textural, qumica e mineralgica

4.4.1.1 - Anlise mineralgica por difraco de raios-X 4.4.1.2 - Anlise qumica por espectrometria de fluorescncia de raios-X

4.4.2 - Ensaios fsicos 4.4.2.1 - Massa volmica 4.4.2.2 - Porosidade 4.4.2.3 - ndice de vazios 4.4.2.4 - Desgaste em meio aquoso (Slake durability test) 4.4.2.5 - Adsoro de azul de metileno 4.4.2.6 - Expansibilidade

4.4.3 - Ensaios de previso da alterabilidade 4.4.3.1 - Ensaio de ataque pela gua oxigenada a 110 volumes 4.4.3.2 - Ensaio de ataque pelo sulfato de magnsio

4.4.4 - Ensaios com ultra-sons e ensaios mecnicos 4.4.4.1 - Velocidade de propagao de ultra-sons 4.4.4.2 - Ensaio de carga pontual 4.4.4.3 - Compresso uniaxial 4.4.4.4 - Corte e deslizamento de diaclases

CAPTULO 5 5 - Caracterizao geotcnica dos macios rochosos do Flysch do Baixo Alentejo 5.1 - Consideraes iniciais 5.2 - Caracterizao qumica e mineralgica 5.3 - Caracterizao fsica. Propriedades ndice. 5.4 - Alterao e alterabilidade dos materiais rochosos do Flysch do Baixo Alentejo

5.4.1 - Descrio e classificao das rochas e macios rochosos quanto ao estado de alterao 5.4.2 - Descrio por exame visual das amostras estudadas quanto ao estado de alterao 5.4.3 - Ensaios ndice na avaliao do estado de alterao. 5.4.4 - Alterabilidade das rochas do Flysch do Baixo Alentejo

5.5 - Caracterizao mecnica

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5.5.1 - Resistncia 5.5.2 - Deformabilidade 5.5.3 - Influncia da anisotropia no comportamento mecnico 5.5.4 - Classificao quanto resistncia e deformabilidade 5.5.5 - Caractersticas geomecnicas dos macios rochosos do Flysch do Baixo Alentejo

5.6 - Correlaes entre alguns parmetros geotcnicos das rochas estudadas 5.6.1 - Correlaes entre os parmetros fsicos 5.6.2 - Correlaes envolvendo parmetros fsicos e mecnicos

5.7 - Comportamento geotcnico dos macios rochosos do Flysch do Baixo Alentejo 5.7.1 - Comportamento das rochas do Flysch do Baixo Alentejo em taludes naturais e de escavao 5.7.2 Comportamento das rochas do Flysch do Baixo Alentejo como material de construo para aterros

CAPTULO 6 6 Concluses e perspectivas futuras REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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XII

NDICE DE FIGURAS CAPTULO 1 Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7 Figura 1.8 Figura 1.9 Figura 1.10 Figura 1.11 Figura 1.12

Critrios para a definio da fronteira entre solos e rochas (adaptado de Rocha, 1977). Definio de rocha branda de acordo com a classificao da ISRM, 1978 (adaptado de Hencher, 1993). Comparao entre algumas das principais classificaes de materiais rochosos quanto resistncia compresso uniaxial (adaptado de Hawkins, 1998). Posio das rochas brandas em Geotecnia (adaptado de Johnston & Novello, 1993) Caractersticas de compressibilidade para diversos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993) . Caractersticas de resistncia para diversos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993). Influncia da orientao das descontinuidades na resistncia de uma ardsia (adaptado de Hoek, 1965). Influncia da orientao das descontinuidades na resistncia de uma argila estratificada (adaptado de Lo & Milligan, 1967). Espectro geotcnico contnuo dos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993). Esquema dos processos de formao das rochas brandas (adaptado de Dobereiner & de Freitas, 1986). Perfis de alterao tipcos em macios rochosos sedimentares. (a) perfil homogneo; (b) perfil heterogneo (adaptado de Dobereiner et al, 1990). Perfis de alterao em macios rochosos gneos. (a) perfil de alterao tpico em rochas gneas (adaptado de Deere & Patton, 1971 e de acordo com a classificao da ISRM, 1978); (b) perfil de alterao em rochas gneas originado por fenmenos de alterao primria ou deutrica (adaptado de Lee & de Freitas, 1989 e de acordo com a classificao da ISRM, 1978).

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27 CAPTULO 2 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7

Metodologia e principais tipos de ensaios de laboratrio e in situ utilizados para a caracterizao geotcnica de rochas brandas (adaptado de Akai, 1997). Corte longitudinal do amostrador de parede dupla T6S (extrado de Dinis, 2001). Amostrador de parede tripla com tubo retrctil (adaptado de Dobereiner, 1984). Pormenor do revestimento interior em plstico (liner), num amostrador de parede dupla (extrado de Dobereiner, 1984). Sistema de amostragem wire-line (extrado de Ladeira, 2003). Influncia das condies do estado de tenso na deformao das rochas de baixa resistncia (adaptado de Oka & Maekawa in Akai, 1997). Representao esquemtica da superfcie de cedncia para rochas brandas (Oka & Maekawa in Akai, 1997).

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55 CAPTULO 3 Figura 3.1 Figura 3.2

Afloramentos paleozicos e precmbricos na Pennsula Ibrica. MI Macio Ibrico (subdiviso em zonas segundo Lotze (1945) e Julivert et al. (1974): 1- Zona Cantbrica; 2 Zona Oeste Asturio-Leonesa; 3 e 4 Zona Centro-Ibrica de Julivert et al. (1974), incluindo as Zonas Galaico-Castelhana (3) e Alcudiana (4); 5 Zona Ossa-Morena; 6 Zona Sul Portuguesa); AP Afloramentos paleozicos e precmbricos nas Cadeias Alpinas; BP Batlito de Pedroches; CPP Cobertura ps-paleozica (adaptado de Ribeiro et al., 1990). Mapa de terrenos simplificado proposto para o Macio Ibrico. 1 Terreno Ibrico: a) margens imbricadas; b) ncleos parautctones; 2 Terrenos exticos ocenicos: PL Terreno Ofioltico de Pulo do Lobo; CO Cabo Ortegal; O Ordoes;

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XIII

Figura 3.3

B Bragana; M Morais; 3 Terrenos Continentais Exticos do Noroeste; 4 Terreno Suspeito Sul Portugus; ZCBC Zona de Cisalhamento de Badajoz-Crdova; ZCPT Zona de Cisalhamento de Porto-Tomar. Diviso proposta por Julivert et al. (1974), no canto superior direito da figura (ZC- Zona Cantbrica; ZOAL Zona Oeste Asturio-Leonesa; ZCI Zona Centro-Ibrica; ZOM Zona Ossa-Morena; ZSP - Zona Sul Portuguesa). Adaptado de Ribeiro et al. (1990). Mapa geolgico da Zona Sul Portuguesa (adaptado de Oliveira, 1990).

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CAPTULO 4 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 Figura 4.11 Figura 4.12 Figura 4.13 Figura 4.14 Figura 4.15 Figura 4.16

reas da amostragem realizada: A (rea de Santiago do Cacm); B (rea de Almograve); C (rea de Almodvar e Serra de Caldeiro) e D (rea do Funcho), escala 1:1600000 (adaptado da Carta Geolgica de Portugal, SGP, 1968). Localizao dos pontos de amostragem na rea de Santiago do Cacm, escala 1: 250000 (adaptado da Carta Geolgica de Portugal, Oliveira et al, 1983). Local 9 (Almograve) escala 1: 235000 (adaptado da Carta Geol. de Portugal, Oliveira et al, 1983). Localizao da amostragem da A2 e do ponto de amostragem 10 na rea de Almodvar e Serra do Caldeiro escala 1: 245000 (adaptado da Carta Geol. de Portugal, Oliveira et al, 1988). Amostragem de superfcie. Aspecto dos blocos de rocha parafinados. Aspecto dos provetes extrados dos blocos de rocha parafinados. Localizao da amostragem do Funcho escala 1: 250000 (adaptado da Carta Geolgica de Portugal, Oliveira et al, 1983). Difraco dos raios-X na face de um cristal que corresponde a uma famlia de planos reticulares de equidistncia dhkl, para um ngulo de difraco . Representao esquemtica dos componentes bsicos de um espectrmetro de raios-X Papel de filtro usado num ensaio de adsoro de azul de metileno pelo mtodo da mancha. Esquema de ligaes entre os Transdutores para as Ondas P e S com a caixa comutadora e a unidade PUNDIT. A - Extensmetro mecnico, que permite a medio das extenses axiais (a) e das extenses transversais (t), para determinao do coeficiente de Poisson e mdulo de deformabilidade, (com trs anis e dois deflectmetros) ; B e C - extensmetro mecnico, que permite a medio das extenses axiais para determinao da deformabilidade, com apenas dois anis e um deflectmetro, podendo-se verificar o sistema de engrenagem e alavancas. Equipamento utilizado na realizao de um ensaio de deformabilidade com extensmetros elctricos. Mquina de Hoek durante um ensaio de deslizamento de diaclases. Esquema da caixa de corte. Sistema de bombas hidrulicas manuais.

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CAPTULO 5 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.5 Figura 5.6 Figura 5.7 Figura 5.8 Figura 5.9

Seces dos diagramas de difraco de raios X seleccionados correspondentes s amostras de grauvaque (1W3/W4G a 7W1G). Seces dos diagramas de difraco de raios X seleccionados correspondentes s amostras de grauvaque (8W3G a S40G). Seces dos diagramas de difraco de raios X seleccionados correspondentes s amostras de xisto (1W3/W2X a 5W4X). Seces dos diagramas de difraco de raios X seleccionados correspondentes s amostras de xisto (7W2/W1X a S40X). Valores da massa volmica aparente obtidos nas amostras de xisto e de grauvaque. Valores da porosidade aparente obtidos nas amostras de xisto e grauvaque. Valores de ndice de vazios obtidos nas amostras de xisto e grauvaque. Valores do ndice de desgaste em meio aquoso obtidos nas amostras de xisto e de grauvaque. Valores da adsoro de azul de metileno obtidos nas amostras de xisto e grauvaque.

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XIV

Figura 5.10 Figura 5.11 Figura 5.12 Figura 5.13 Figura 5.14 Figura 5.15 Figura 5.16 Figura 5.17 Figura 5.18 Figura 5.19 Figura 5.20 Figura 5.21 Figura 5.22 Figura 5.23 Figura 5.24 Figura 5.25 Figura 5.26 Figura 5.27 Figura 5.28 Figura 5.29 Figura 5.30 Figura 5.31 Figura 5.32 Figura 5.33 Figura 5.34 Figura 5.35 Figura 5.36 Figura 5.37 Figura 5.38 Figura 5.39 Figura 5.40 Figura 5.41

Relao entre os valores de adsoro de azul de metileno e o tipo e quantidade dos minerais argilosos das amostras de xisto. Relao entre os valores de adsoro de azul de metileno e o tipo e quantidade dos minerais argilosos das amostras de grauvaque. Relao entre os valores de adsoro de azul de metileno e a qualidade dos minerais argilosos das amostras de xisto. Relao entre os valores de adsoro de azul de metileno e a qualidade dos minerais argilosos das amostras de grauvaque. Valores da expansibilidade obtidos nas amostras de xisto e grauvaque. Relao entre a expansibilidade e adsoro de azul de metileno nas amostras de xisto e grauvaque. Relao entre a expansibilidade axial e a orientao da foliao nas amostras estudadas. Relao entre a expansibilidade radial e a orientao da foliao nas amostras estudadas. Caractersticas dos macios rochosos do Flysch do Baixo Alentejo. a)complexidade estrutural devida intensa foliao, dobramento e cisalhamento do material; b) macio rochoso constitudo por intercalaes de rochas com comportamento geomecnico diferente; c) fragmentos de rocha resistente e/ou quartzo estirados no seio de material muito esmagado, argilificado, com comportamento de um solo (extrado de Hoek et al., 1998). Pormenor do perfil de alterao de um macio rochoso do FBA, evidenciando a influncia da estrutura na meteorizao destes macios. Perfil de alterao tpico de rochas metamrficas (adaptado de Deere & Miller, 1971) Anlise do ndice fsico mais adequado para a avaliao do estado de alterao dos materiais rochosos estudados. Perdas de massa em percentagem, das amostras de xisto e de grauvaque no ensaio de ataque pela gua oxigenada. Perdas de massa em percentagem das amostras de xisto e de grauvaque, no final do ensaio de ataque pelo sulfato de magnsio. Variao da resistncia compresso uniaxial com a orientao da foliao nas amostras de xisto e de grauvaque. Sensibilidade do ensaio de carga pontual anisotropia, nos xistos. Sensibilidade do ensaio de carga pontual anisotropia nos grauvaques. Relao entre e Ia(50) para as rochas estudadas. Sensibilidade dos ultra-sons anisotropia nos grauvaques. Sensibilidade dos ultra-sons anisotropia nos xistos. Diagrama de Deere & Miller com a representao das amostras estudadas (adaptado de Deere & Miller, 1966). Correlaes entre a massa volmica aparente e a porosidade aparente nas amostras de xisto e de grauvaque. Correlaes entre a massa volmica aparente e o ndice de vazios nas amostras de xisto e de grauvaque. Correlaes entre a porosidade aparente e o ndice de vazios nas amostras de xisto e de grauvaque. Correlaes entre o ndice de desgaste em meio aquoso e o ndice de vazios nas amostras de xisto e de grauvaque. Correlao entre a massa volmica aparente e a resistncia compresso uniaxial nas amostras estudadas. Correlao entre a massa volmica aparente e o mdulo de deformabilidade nas amostras estudadas. Correlao entre a porosidade aparente e a resistncia compresso uniaxial nas amostras estudadas. Correlao entre a porosidade aparente e o mdulo de deformabilidade nas amostras estudadas. Correlao entre o ndice de vazios e a resistncia compresso uniaxial nas amostras estudadas. Correlao entre o ndice de vazios e o mdulo de deformabilidade nas amostras estudadas. Correlaes entre a resistncia compresso uniaxial e o mdulo de deformabilidade nas amostras estudadas.

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XV

NDICE DE QUADROS CAPTULO 1 Quadro 1.1 Quadro 1.2

Compressibilidades da estrutura do material e das partculas slidas, para diversos tipos de materiais (adaptado de Johnston, 1993). Classificao da alterao segundo a Sociedade Internacional de Mecnica das Rochas (adaptado de ISRM, 1978).

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28 CAPTULO 2 Quadro 2.1 Quadro 2.2

Velocidade de incremento da tenso e taxa de deformao utilizadas em ensaios de compresso uniaxial de rochas (adaptado de Dobereiner in Akai, 1997). Quadro resumo das principais tcnicas de caracterizao de rochas e macios rochosos de baixa resistncia.

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65 CAPTULO 4 Quadro 4.1 Quadro 4.2 Quadro 4.3 Quadro 4.4 Quadro 4.5 Quadro 4.6 Quadro 4.7 Quadro 4.8 Quadro 4.9 Quadro 4.10 Quadro 4.11 Quadro 4.12 Quadro 4.13 Quadro 4.14 Quadro 4.15 Quadro 4.16 Quadro 4.17

Sntese dos trabalhos desenvolvidos para o estudo experimental das rochas do Flysch do Baixo Alentejo. Quadro sntese das amostras obtidas nas sondagens S1, S3 e S4 da A2 - Auto-estrada do Sul. Quadro sntese das amostras, obtidas nas sondagens S5, S7, S15 e S22 da A2 - Auto-estrada do Sul. Quadro sntese das amostras obtidas nas sondagens S27, S30 e S40 da A2 - Auto-estrada do Sul. Quadro sntese das amostras obtidas nas sondagens F1, F2 e F3 da barragem do Funcho. Quadro sntese das amostras, para os ensaios de expansibilidade, obtidas nas sondagens S1, S4, S6 e S7 da A2 - Auto-estrada do Sul. Quadro sntese das amostras, para os ensaios de expansibilidade, obtidas nas sondagens S8, S15 e S31 da A2 - Auto-estrada do Sul. Sntese dos ensaios de laboratrio realizados na amostragem de superfcie. Sntese dos ensaios de laboratrio realizados na amostragem de profundidade. Composio qumica das amostras de xistos e grauvaques com distintos estados de alterao. Quadro sntese dos resultados dos ensaios fsicos efectuados nos xistos dos locais da amostragem de superfcie e nas amostras S15X e F1X da amostragem de profundidade. Quadro sntese dos resultados dos ensaios fsicos efectuados nos grauvaques dos locais da amostragem de superfcie e nas amostras S15G e F1G da amostragem de profundidade. Resultados dos ensaios de expansibilidade efectuados na amostragem da A2 Auto-estrada do Sul. Quadro resumo dos ensaios de previso da alterabilidade, efectuados nos xistos e grauvaques dos locais da amostragem de superfcie. Quadro sntese dos resultados obtidos nos ensaios com ultra-sons e ensaios mecnicos, efectuados na amostragem da A2 - Auto-estrada do Sul. Quadro sntese dos resultados obtidos nos ensaios com ultra-sons e ensaios mecnicos, efectuados na amostragem da barragem do Funcho. Quadro sntese dos resultados obtidos nos ensaios com ultra-sons e ensaios mecnicos, efectuados nas amostras dos locais 9 e 10.

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XVI

CAPTULO 5 Quadro 5.1 Quadro 5.2 Quadro 5.3 Quadro 5.4 Quadro 5.5 Quadro 5.6 Quadro 5.7 Quadro 5.8 Quadro 5.9 Quadro 5.10 Quadro 5.11 Quadro 5.12 Quadro 5.13 Quadro 5.14 Quadro 5.15 Quadro 5.16 Quadro 5.17 Quadro 5.18 Quadro 5.19 Quadro 5.20 Quadro 5.21 Quadro 5.22 Quadro 5.23 Quadro 5.24 Quadro 5.25 Quadro 5.26 Quadro 5.27 Quadro 5.28 Quadro 5.29 Quadro 5.30

Valores mdios das percentagens ponderais dos elementos maiores, sob a forma de xidos, das rochas estudadas. Valores mdios dos resultados obtidos para as propriedades fsicas dos xistos e grauvaques para estados de alterao distintos. Dados coligidos sobre propriedades fsicas dos materiais rochosos do Flysch do Baixo Alentejo. Comparao entre vrios sistemas de classificao do estado de alterao das rochas e macios rochosos (adaptado de Martin & Hencher, 1986). Proposta da Sociedade Geolgica de Londres, para a classificao do perfil de alterao de macios rochosos heterogneos (adaptado de Anon, 1995). Classificao quanto ao estado de alterao, segundo a BGD (ISRM, 1981). Classificao quanto ao estado de alterao adoptando uma verso simplificada da BGD proposta pela ISRM (ISRM, 1981). Resultados percentuais das classificaes dos avaliadores quanto ao estado de alterao das amostras de xisto, de acordo com a BGD (ISRM, 1981). Resultados percentuais das classificaes dos avaliadores quanto ao estado de alterao das amostras de grauvaque, de acordo com a BGD (ISRM, 1981). Resultados percentuais das classificaes dos avaliadores quanto ao estado de alterao das amostras de xisto, de acordo com a verso simplificada da BGD (ISRM, 1981), apresentada no Quadro 5.7. Resultados percentuais das classificaes dos avaliadores quanto ao estado de alterao das amostras de grauvaque, de acordo com a verso simplificada da BGD (ISRM, 1981), apresentada no Quadro 5.7. Valores mximos, mnimos e mdios da resistncia compresso uniaxial e do mdulo de deformabilidade dos materiais rochosos estudados. Influncia da anisotropia no comportamento mecnico dos xistos. Influncia da anisotropia no comportamento mecnico dos grauvaques. Classes de resistncia compresso uniaxial propostas pela BGD (ISRM,1981). Classes quanto ao ngulo de atrito propostas pela BGD (ISRM,1981). Classificao quanto resistncia compresso uniaxial, das rochas estudadas, em termos dos seus valores mdios e de acordo com a BGD (ISRM, 1981). Classificao quanto ao ngulo de atrito das descontinuidades das rochas estudadas, de acordo com a BGD. Classificao dos materiais rochosos, proposta por Deere & Miller (1966). Dados coligidos sobre caractersticas mecnicas das rochas do Flysch do Baixo Alentejo. Comparao entre os valores do mdulo de deformabilidade in situ e o mdulo de deformabilidade em laboratrio, em dois locais estudados. Influncia da anisotropia no valor do mdulo de deformabilidade in situ (adaptado de Neiva & Lima, 2002). Ensaios de deformabilidade in situ com LFJ no local da barragem de Fronhas, (adaptado de Neiva & Lima, 2002). Resistncia ao corte in situ e em laboratrio (adaptado de Neiva & Lima, 2002). Ensaios de deslizamento de diaclases in situ e em laboratrio (adaptado de Neiva, 2002). Valores coligidos dos coeficientes de fragmentabilidade e degradabilidade de materiais rochosos do FBA, no sublano Almodvar - S. Bartolomeu de Messines da A2 - Auto-estrada do Sul (adaptado de BRISA, 1999a). Valores coligidos das propriedades fsicas de materiais rochosos do FBA, no lano Tavira-Pinheira da VLA (adaptado de JAE/LNEC, 1991c). Valores coligidos da resistncia ao desgaste de materiais rochosos do FBA, no lano Tavira-Pinheira da VLA (adaptado de JAE/LNEC, 1991c). Valores coligidos da resistncia compresso uniaxial, resistncia carga pontual e ao esmagamento de materiais rochosos do FBA, no lano Tavira-Pinheira da VLA (adaptado de JAE/LNEC, 1991c). Valores coligidos da resistncia ao esmagamento de materiais rochosos do FBA, no sublano Almodvar - S. Bartolomeu de Messines da A2 - Auto-estrada do Sul (adaptado de BRISA, 1999a).

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XVII

Quadro 5.31

Valores coligidos dos mdulos edomtricos e deformao de colapso, mais representativos de materiais rochosos do FBA, no lano Tavira-Pinheira da VLA (adaptado de JAE/LNEC, 1991c).

227

Simbologia e Abreviaturas

XIX

SIMBOLOGIA Apesar do significado dos smbolos e das abreviaturas usados ser referido no texto, julga-se conveniente apresentar a lista dos mais importantes. A B c c ca C Cs CD CU d0 dhkl D D De DR e E Ed Elab Ein situ Et fs F Fn Ft FR h0 H Id2 Ia (50) Is Is (50) Iv K0 l l0 L mi

- rea - seco transversal do provete - rea da superfcie do ensaio (ensaio de corte e deslizamento de diaclases) - massa de azul de metileno adicionada - coeso - coeso em termos de tenses efectivas - coeso aparente - compressibilidade da estrutura - compressibilidade das partculas slidas - ensaio triaxial do tipo consolidado drenado - ensaio triaxial do tipo consolidado no drenado - dimetro inicial da amostra - espaamento dos planos cristalogrficos - dimetro da amostra - distncia inicial entre as ponteiras (ensaio de carga pontual) - distncia entre as ponteiras no momento da rotura (ensaio de carga pontual) - dimetro equivalente do tarolo - coeficiente de degradabilidade - ndice de vazios - mdulo de deformabilidade - mdulo de elasticidade dinmico - mdulo de deformabilidade determinado em laboratrio - mdulo de deformabilidade determinado in situ - mdulo de deformabilidade tangente - frequncia dominante da onda de corte - fora aplicada na rotura (ensaio de compresso uniaxial) - factor de correco (ensaio de carga pontual) - fora normal - fora tangencial - coeficiente de fragmentabilidade - espessura inicial do provete - altura da amostra - ndice de desgaste em meio aquoso slake durability index - ndice de anisotropia (ensaio de carga pontual) - resistncia carga pontual no corrigida - ndice de resistncia carga pontual corrigido - ndice de vazios - coeficiente de impulso em repouso - distncia entre os pontos de apoio ou base de medio (ensaio de compresso uniaxial) - comprimento axial medido no incio do ensaio - comprimento do provete - massa inicial do provete

Simbologia e Abreviaturas

XX

mi m0 M Mg Mw n n na p p pi pH ppm P q r R T UU V Vam Vg VP Vs VS Vv w W a a rad d l a d r t

- massa dos provetes aps a peneirao final - massa seca da toma (adsoro de azul de metileno) - massa da amostra - massa dos gros - massa de gua intersticial - nmero inteiro - porosidade - porosidade aparente ou acessvel gua - presso confinante - tenso mdia em termos de tenses efectivas - perda de massa dos provetes - potencial de hidrognio - partes por milho - perda de massa (ensaio de ataque pelo sulfato de magnsio) - fora aplicada na rotura (ensaio de carga pontual) - tenso de desvio - coeficiente de correlao linear - ressalto do martelo de Schmidt rebound value - tempo gasto no percurso - ensaio triaxial do tipo no consolidado no drenado - volume da amostra - volume da soluo de azul de metileno utilizada na titulao - velocidade de propagao de ultra-sons - valor de adsoro de azul de metileno - volume dos gros da amostra - velocidade da onda longitudinal ou primria, P - volume dos slidos da amostra - velocidade da onda transversal ou secundria, S - volume de vazios da amostra - teor em gua - grau de alterao - inclinao das descontinuidades em relao vertical - massa volmica - massa volmica aparente - deslocamento axial - deslocamento radial - incremento finito - variao do dimetro do provete (ensaio de compresso uniaxial) - valor da diviso da escala do deflectmetro - deformao - expansibilidade

- deformao axial - deformao diametral - deformao (expansibilidade) radial - extenso transversal - ngulo de difraco (DRX) - ngulo de atrito - ngulo de atrito em termos de tenses efectivas - relao entre o ndice de resistncia carga pontual corrigido e a resistncia compresso uniaxial (Ia (50)/c)

Simbologia e Abreviaturas

XXI

x x c ' 'v 'h 1, 2, 3

- comprimento de onda da radiao incidente (DRX) - mdia - coeficiente de Poisson - desvio padro - resistncia compresso uniaxial - tenso efectiva - tenso vertical efectiva - tenso lateral efectiva - tenses principais - tenso tangencial ou de corte

ABREVIATURAS V A AFNOR ASTM BS BGD BF Cap. CEGSA COBA CSIRO CVS CXG DRX EM EN ens. eq. Fig. FBA FFQ FRX G GCO GSI HSSR IAEG IC IGM INAG INMG IP ISRM ISSMGE ISSMFE

- Autoestrada - Association Franaise de Normalisation - American Society for Testing and Materials - British Standards - Basic Geotechnical Description of Rock Masses - Barragem do Funcho - Captulo - Centro de Estudos de Geologia e Geotecnia de Santo Andr - Complexo Ofioltico de Beja-Acebuches - Commonwealth Sientific and Industrial Research Organization - Complexo Vulcano Sedimentar - Complexo Xisto-Grauvquico - difraco de raios-X - estrada municipal - estrada nacional - ensaio - equao - Figura - Flysch do Baixo Alentejo - Formao Filito-Quartztica - espectrometria de fluorescncia de raios-X - grauvaque - Geotechnical Control Office - Geological Strength Index - Hard Soils and Soft Rocks - International Association of Engineering Geology - Itinerrio Complementar - Instituto Geolgico e Mineiro - Instituto da gua - Instituto Nacional de Meteorologia e Geofsica - Itinerrio Principal - International Society of Rock Mechanics - International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering - International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering

Simbologia e Abreviaturas

XXII

JAE JGS JSCE JSSMFE LFJ LNEC LVDT Ma Mac. Mx. Md. Med. MI Min. NP NF rot. rpm P.R. PS Rmi RMR RMQ RSBP RSR s.l. s.s. S SBP SEM SMR SPT TAPL TC TFB TOB TRI TSC/MR TSM UA UE USBM UTM v.g. VLA X ZCI ZOM ZSP

- Junta Autnoma de Estradas - Japanese Geotechnical Society - Japanese Society of Civil Engineers - Japanese Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering - Large Flat Jack - Laboratrio Nacional de Engenharia Civil - Linear Variable Differential Transformer - milhes de anos - Macio - valor mximo - valor mdio - Mediana - Macio Ibrico - valor mnimo - Norma Portuguesa - Norma Francesa - rotaes - rotaes por minuto - perda ao rubro - perfis de refraco ssmica - Rock Mass Index - Rock Mass Rating - Rock Mass Quality; Q - System - Rock Self-Boring Pressuremeter - Rock Structure Rating - em sentido lato - em sentido estrito - sondagem - Self-Boring Pressuremeter - Scanning Electron Microscopy - Slope Mass Rating - Standard Penetration Test - Terreno Acrecionrio do Pulo do Lobo - Technical Committee - Tnel Funcho - Benaciate - Tnel Odeleite - Beliche - Torre do Radar do INAG - Tnel Santa Clara - Monte da Rocha - Tnel Sado - Morgavel - Universidade de Aveiro - Universidade de vora - United States Bureau of Mines - Universal Transversa de Mercator - vrtice geodsico - Via Longitudinal do Algarve - xisto - Zona Centro Ibrica - Zona de Ossa Morena - Zona Sul Portuguesa

Simbologia e Abreviaturas

XXIII

et al. e.g.

- et alii (e outros) - exempli gratia (por exemplo)

CONSIDERAES INICIAIS

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Consideraes iniciais O presente trabalho tem como objectivo principal, contribuir para o estudo das rochas e macios rochosos de baixa resistncia e sobretudo, para aprofundar o conhecimento das propriedades geotcnicas dos turbiditos que constituem o Grupo do Flysch do Baixo Alentejo (FBA). Inserido no contexto dos materiais rochosos de baixa resistncia, frequentemente designados por rochas brandas, este trabalho procura: i) dar uma perspectiva global sobre o estado actual do conhecimento sobre este tema; ii) salientar as principais dificuldades que em regra, ocorrem com a utilizao destes materiais em obras de engenharia, quer como terreno de fundao, quer como material de construo. A opo por este tema de trabalho deve-se sobretudo, importncia e interesse crescentes que o estudo das rochas e macios rochosos de baixa resistncia tem suscitado nas ltimas dcadas, como tambm, reduzida informao, por vezes dispersa, que existe sobre alguns aspectos do comportamento destes materiais. No mbito do tema das rochas e macios rochosos de baixa resistncia, a escolha das formaes turbidticas do FBA, como objecto de estudo justifica-se sobretudo, por trs motivos: i) a grande representatividade destas formaes turbidticas na geologia regional, ocupando uma extensa rea do Sul de Portugal, abrangendo a maior parte do Baixo Alentejo e norte do Algarve, com cerca de 8000 Km2; ii) ser escassa informao geotcnica sobre estas formaes geolgicas, existindo sobretudo estudos geolgicos e geotcnicos efectuados para o apoio ao projecto e construo dos grandes empreendimentos de engenharia; iii) a necessidade da utilizao cada vez mais comum, em obras de terraplenagens, por razes econmicas e ambientais, dos pelitos do FBA (frequentemente designados por xistos argilosos) os quais, sobretudo quando alterados, so considerados materiais evolutivos por poderem sofrer evoluo granulomtrica, quer durante o transporte, quer durante e aps a colocao em obra; a grande susceptibilidade alterao fsica (desagregabilidade) e alterao qumica dos xistos argilosos, depende das suas caractersticas mineralgicas, fsicas e mecnicas, exigindo por isso, uma caracterizao laboratorial adequada. Os littipos principais que constituem as formaes turbidticas do FBA so: i) grauvaques e quartzograuvaques, geralmente de cor cinzenta e, em regra, metamorfizados (metagrauvaques), ricos em detritos quartzo-feldspticos, com fragmentos lticos de natureza diversa, consolidados por uma matriz fina argilo-miccea, em regra, rica em clorite; ii) pelitos (s.l.), ou seja, rochas argilceas metamorfizadas de gro fino, do tamanho silte e/ou argila, em regra de cor cinzenta escura a negra, devido presena de carbono, sob a forma de grafite, e/ou matria orgnica; com foliao (clivagem de fluxo), causada por metamorfismo de baixo grau que de acordo com a intensidade do episdio metamrfico, formam um complexo de rochas pelticas, variando entre xistos argilosos e os filitos. Os dois littipos principais das formaes do FBA, tm comportamentos mecnicos distintos. Os grauvaques caracterizam-se por possurem um comportamento frgil e uma resistncia elevada, quando no estado so, enquanto que os pelitos (s.l.), se caracterizam por possurem um comportamento dctil e uma resistncia baixa. Este facto, escala megascpica, traduz-se numa fracturao acentuada nos estratos grauvacides, de comportamento mais frgil e dobramentos intensos nos estratos pelticos de comportamento mais dctil.

Consideraes iniciais

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Devido ao objectivo deste estudo, estar relacionado com o tema caracterizao geotcnica de rochas e macios rochosos de baixa resistncia, assim como, pelo facto de nas formaes do FBA, se verificar um predomnio dos pelitos (s.l.), dada uma ateno especial ao estudo das caractersticas geotcnicas destes materiais. No entanto, devido alternncia caracterstica de turbiditos grosseiros e finos, por vezes finamente estratificados, nas formaes do FBA, foi considerado tambm o estudo geotcnico do grauvaque, apesar do comportamento mecnico deste littipo, sobretudo quando no estado so a pouco alterado, no se enquadrar no mbito dos materiais rochosos de baixa resistncia. escala do macio rochoso, devido, em regra, predominncia de nveis pelticos e sua menor resistncia, os macios das formaes do FBA podem ser considerados de baixa resistncia. No presente trabalho, os materiais grauvacides (grauvaques e quartzograuvaques), em regra metamorfizados (metagrauvaques), designam-se por grauvaques (s.l.), enquanto que os pelitos que lhes esto associados, designam-se por xistos e/ou xistos argilosos (s.l.). feita uma caracterizao das propriedades qumicas, fsicas e mecnicas dos turbiditos do FBA, nomeadamente dos xistos argilosos, sendo enfatizados os aspectos relacionados com a alterao e alterabilidade destas rochas, tais como: i) descrio e avaliao do estado de alterao; ii) influncia do estado de alterao nas caractersticas mineralgicas e fsicas; iii) avaliao dos principais mecanismos de alterao. Para alm destas consideraes iniciais, nas quais se procura justificar a importncia do tema e do objecto do estudo, este trabalho est organizado em seis captulos. No Captulo1, aps uma breve sntese histrica sobre o estudo das rochas de baixa resistncia, apresentado o conceito de rocha branda e descreve-se a situao das rochas brandas no espectro geotcnico dos materiais geolgicos, analisando as suas relaes com os restantes materiais (solos e rochas duras) que constituem este espectro contnuo de materiais geolgicos; abordam-se ainda, alguns aspectos relacionados com a classificao das rochas brandas, nomeadamente, os critrios de classificao e as terminologias que so adoptadas por diversas entidades, nas classificaes geotcnicas das rochas baseadas na resistncia compresso uniaxial; no final do captulo descrevem-se os tipos principais de rochas brandas, as diversas formas de ocorrncia das rochas brandas escala do macio rochoso e os principais problemas geotcnicos relacionados com as propriedades intrnsecas das rochas brandas. A apresentao da metodologia que utilizada em regra, na caracterizao geotcnica das rochas e macios rochosos de baixa resistncia nomeadamente, as tcnicas de amostragem, os ensaios em laboratrio e in situ, assim como as suas principais limitaes, feita no Captulo 2. Aqui so referidas tambm as adaptaes de algumas tcnicas de ensaio inicialmente desenvolvidas para os solos ou rochas duras, que se tm verificado nos ltimos anos e que permitem no apenas melhorar a qualidade das amostras colhidas como tambm, possibilitar uma caracterizao mais adequada destes materiais. No Captulo 3, feito o enquadramento regional das formaes do FBA. Desta forma, alm de breves consideraes sobre a geomorfologia e hidrogeologia da rea de trabalho, so abordados os aspectos geolgicos e estruturais mais relevantes das formaes em estudo, nomeadamente os que esto relacionados com a estratigrafia, a sedimentologia, o metamorfismo e a tectnica.

Consideraes iniciais

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No Captulo 4 descrita a metodologia adoptada, iniciando-se com a referncia, nas primeiras seces do captulo, aos trabalhos de campo efectuados e uma descrio dos locais de amostragem. Em seguida, so descritos os estudos laboratoriais realizados, relativos aos materiais rochosos das formaes do FBA, em primeiro lugar as tcnicas de anlise usadas na caracterizao mineralgica e qumica, seguindo-se os ensaios ndice para a avaliao das propriedades fsicas fundamentais (massa volmica, porosidade, ndice de vazios, expansibilidade), e da durabilidade dos materiais estudados (ensaio de desgaste em meio aquoso e ensaio de adsoro do azul de metileno pelo mtodo da mancha). Finalmente, aps a descrio de alguns ensaios de previso da alterabilidade, nomeadamente, o ataque por gua oxigenada e o ataque por sulfato de magnsio, realizados em amostras com diferentes estados de alterao, descreve-se um conjunto de ensaios mecnicos que foram realizados no mbito do presente estudo nomeadamente, determinao da velocidade de propagao dos ultra-sons, compresso uniaxial, carga pontual e deslizamento de diaclases, para avaliao da resistncia e deformabilidade destes materiais. No Captulo 5, procede-se anlise e interpretao dos resultados obtidos nos estudos laboratoriais realizados no mbito desta investigao sendo, sempre que possvel, comparados com dados compilados na bibliografia sobre o mesmo tipo de materiais rochosos, com o objectivo de contribuir para o conhecimento das propriedades qumicas, fsicas e mecnicas dos materiais estudados e avaliar os parmetros mais adequados para a sua caracterizao. Os resultados de natureza geotcnica, sobre as rochas e macios rochosos do FBA, compilados em estudos publicados assim como, em relatrios geolgicos e geotcnicos efectuados para apoio a obras de engenharia implantadas nestas formaes turbidticas so expostos neste captulo sumariamente, sob a forma de quadros. feita uma avaliao das propriedades ndice que podem ser utilizadas na descrio do estado de alterao das rochas estudadas, sendo propostos os ensaios ndice mais adequados para a caracterizao e descrio do estado de alterao. Apresenta-se tambm uma anlise da influncia da anisotropia no comportamento geotcnico destas rochas, nomeadamente, na expansibilidade e na resistncia. No final, tecem-se algumas consideraes sobre o comportamento geotcnico dos littipos do FBA em taludes naturais e de escavao e como material de construo para aterros. Finalmente, no Captulo 6 produzem-se algumas consideraes finais, apresentando as principais concluses retiradas do trabalho realizado. So tambm sugeridas algumas linhas de investigao a desenvolver no futuro, no mbito do tema tratado.

CAPTULO 1

ROCHAS E MACIOS ROCHOSOS DE BAIXA RESISTNCIA

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1 - Rochas e macios rochosos de baixa resistncia 1.1 - Sntese histrica sobre o estudo das rochas de baixa resistncia Os macios rochosos podem ser considerados de baixa resistncia, em duas situaes distintas: i) quando o material rochoso, que o constitui, tem baixa resistncia; ii) quando a presena de um elevado nmero de fracturas ou outro tipo de descontinuidades, sejam responsveis por um comportamento de baixa resistncia do macio, mesmo que o material rochoso constituinte seja de resistncia elevada. O estudo geotcnico das rochas de baixa resistncia tem merecido um maior interesse nas ltimas trs dcadas devido, quer maior utilizao destes materiais rochosos na construo civil, quer a um maior nmero de obras de engenharia construdas em locais onde ocorrem este tipo de materiais. Os primeiros trabalhos publicados sobre este tema surgiram de uma forma dispersa, atravs de artigos em publicaes peridicas, ou nas actas de Congressos e de outras reunies tcnicas e cientficas. A primeira reunio cientfica internacional que incluiu uma seco tcnica sobre este tema, ocorreu em 1975. Tratou-se da 5 Conferncia Panamericana da Sociedade Internacional de Mecnica dos Solos e Engenharia de Fundaes, (International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, ISSMFE, actualmente designada por International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, ISSMGE ), realizada na Argentina. Posteriormente, surgiram alguns artigos sobre este tema, no Simpsio sobre Geotecnia de Fundaes Estruturalmente Complexas realizado em Capri em 1977. A primeira reunio inteiramente dedicada s rochas de baixa resistncia, ocorreu em 1981, em Tquio, organizada pela Sociedade Internacional de Mecnica das Rochas (International Society for Rock Mechanics, ISRM), sob a designao de International Symposium on Weak Rock, (Simpsio Internacional sobre Rochas Brandas). Em 1986, os problemas ligados a fundaes e escavaes em materiais de baixa resistncia, constituram o 2 tema do 5 Congresso da Associao Internacional de Geologia de Engenharia (International Association of Engineering Geology, IAEG), realizado em Buenos Aires, na Argentina. Mais tarde, em 1989, na 12 Conferncia Internacional de Mecnica de Solos e Engenharia de Fundaes, realizada no Rio de Janeiro, decorreu uma sesso tcnica, organizada pelo Comit Tcnico TC22 da ISSMGE, Indurated Soils and Soft Rocks, (Solos endurecidos e Rochas Brandas), para discutir os problemas relativos construo civil nestes materiais geolgicos. Em 1990, realizou-se outra reunio, totalmente dedicada aos materiais geolgicos de baixa resistncia, (abarcando no s o material rocha, como tambm o macio rochoso). Tratou-se da 26 Conferncia Anual do Grupo de Engenheiros da Sociedade Geolgica de Londres, intitulada The Engineering Geology of Weak Rock, (A Geologia de Engenharia das Rochas Brandas), que se realizou em Leeds, no Reino Unido (Cripps et al., 1993). Refere-se ainda, a ocorrncia, nesse mesmo ano, de outra reunio cientfica internacional, o 6 Congresso Internacional da IAEG, realizado em Amsterdo, no qual as rochas de baixa resistncia foram tratadas no mbito dos materiais de construo problemticos. So diversos os problemas geotcnicos que frequentemente ocorrem em formaes geolgicas constitudas por materiais que no obedecem, de uma forma estrita, aos princpios da mecnica de solos ou da mecnica das rochas. Deste modo, foram organizados dois

Captulo 1

10

importantes simpsios internacionais sobre Hard Soils and Soft Rocks, HSSR, (Solos Rijos e Rochas Brandas), em 1993, na Grcia (Anagnostopoulos et al., 1993), mais tarde, em 1998, na Itlia (Evangelista et al., 1998), nos quais reforada a ideia de que estes materiais geolgicos devem ser considerados como um todo, constituindo um conjunto que permite estabelecer uma transio gradual entre a mecnica de solos e a mecnica das rochas. Alm de contribuies isoladas, surgidas em diversas publicaes peridicas no mbito da Geotecnia e nas actas dos Congressos internacionais que nas ltimas dcadas foram promovidos pela IAEG, ISRM ou ISSMGE, merece referncia ainda, o grande contributo a nvel internacional, dado nos ltimos anos por algumas entidades japonesas, tais como a Sociedade Japonesa de Mecnica de Solos e Engenharia de Fundaes (Japanese Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, JSSMFE), a Sociedade Japonesa de Geotecnia (Japanese Geotechnical Society, JGS), e a Sociedade Japonesa de Engenheiros Civis (Japanese Society of Civil Engineers, JSCE). 1.2 - Conceito de rocha branda difcil definir rocha branda ou rocha de baixa resistncia, devido quer ao uso de critrios diferentes para definir este conceito, quer grande diversidade de materiais geolgicos existentes na Natureza que podem ser englobados nessa definio. Rocha de baixa resistncia uma designao que surge associada aos materiais rochosos com fraca resistncia compresso uniaxial e cujo comportamento geotcnico os situa entre os solos e as rochas duras. Vrios autores usam o termo fraco ou de baixa resistncia (weak), brando (soft). Por vezes, o termo solo rijo (Indurated soil; hard soil), usado com a concepo de rocha muito branda. O termo rocha branda (soft rock), com origem no Comit Tcnico TC22 da ISSMGE, preferido por alguns autores, foi adoptado nos dois simpsios internacionais sobre HSSR referidos anteriormente (Anagnostopoulos et al., 1993; Evangelista et al., 1998). A ISRM, durante o Simpsio internacional realizado em Tquio, em 1981, adoptou a designao rocha de baixa resistncia (weak rock), com o significado de rocha branda, fracturada e alterada (soft, fractured and weathered rock), aumentando a abrangncia da designao. Neste trabalho, adopta-se a designao de rocha branda (soft rock ou weak rock), um termo frequentemente utilizado na bibliografia, como sinnimo de rocha de baixa resistncia (low strength rock). Refira-se que alguns autores, preferem incluir outros tipos de rocha no mesmo contexto, tais como rochas com grandes cavidades originados por dissoluo, ou por processos genticos (Pechorkin, 1986). Na Nova Zelndia, o termo rocha branda (soft rock), usado apenas para certas rochas sedimentares, tal como siltitos, siltitos argilosos ou arenitos finos do Tercirio ou Quaternrio antigo (resistncia compresso uniaxial, c , entre 1 e 5 MPa, no excedendo os 10 MPa no estado so), excluindo as rochas no sedimentares ou alteradas de baixa resistncia (Read et al., 1981). Os termos fraco ou brando, so os normalmente usados para identificar materiais caracterizados por terem baixa resistncia e que correspondem a uma grande diversidade materiais geolgicos, englobando no s os de origem sedimentar como outros tipos de materiais, originalmente, mais rijos e resistentes que depois de submetidos a processos de alterao ou metamorfismo retrgrado, sofreram uma deteriorao das suas caractersticas. Por esta razo, h autores que preferem usar o termo genrico rocha de baixa resistncia (low

Rochas e macios rochosos de baixa resistncia

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strength rock), por ser a resistncia o critrio mais usado na classificao destes materiais geolgicos. As rochas brandas so materiais cuja amostragem e caracterizao geotcnica, assim como, a previso do seu comportamento so difceis de realizar. Por vezes exigem a necessidade de recorrer a tcnicas de construo ou de tratamento especiais, as quais permitem garantir a estabilidade das obras de engenharia, durante a sua construo e vida til. Por isso, frequente estes materiais de transio serem includos no grupo dos materiais problemticos (Rodrigues, 1990). As rochas brandas podem ser definidas, de uma forma genrica, como materiais geolgicos de com caractersticas mecnicas deficientes, nomeadamente, deformabilidade elevada e resistncia baixa que se situam na transio entre os solos e as rochas duras. No entanto, bastante difcil definir rocha branda e principalmente, o limite inferior das rochas brandas: a fronteira entre solos e rochas (Spink & Norbury, 1993). Esta fronteira pode ser estabelecida, usando critrios to variados como a resistncia, a deformabilidade, a porosidade, a densidade ou a compressibilidade do material. Destes, a resistncia compresso uniaxial o critrio mais utilizado e que melhor se adapta definio da fronteira solo/rocha.

Rocha (1977), comparando os resultados obtidos em numerosos ensaios realizados numa grande variedade de solos e rochas (areias e argilas; argilitos, siltitos, arenitos, calcrios, xistos, granitos, etc.), concluiu que a resistncia compresso uniaxial e a coeso, so as

Fig. 1.1 Critrios para a definio da fronteira entre solos e rochas (adaptado de Rocha, 1977).

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caractersticas mais apropriadas para estabelecer a fronteira entre solos e rochas. O ngulo de atrito mostrou-se um parmetro distintivo pouco eficiente, devido a que os seus valores, para os solos so idnticos aos valores mais baixos para as rochas. De acordo com o mesmo autor, os materiais com uma coeso acima de 0,3 MPa e uma resistncia compresso uniaxial maior que 2 MPa so classificados como rochas (Figura 1.1). Verifica-se que a fronteira solo/rocha no se encontra normalizada verificando-se, por vezes, (e.g. ISRM, 1978), uma sobreposio nas classes de resistncia propostas, entre os solos rijos (entre 0,25 e 0,5 MPa) e as rochas extremamente brandas (entre 0,25 e 1,0 MPa), como se observa na Figura 1.2. Por outro lado, comparando a definio do limite inferior de resistncia das rochas proposto por alguns organismos internacionais, constata-se que, enquanto a ISRM (1981), adopta o valor de 2 MPa, e a British Standard 5930 (1981), o valor de 0,6 MPa, a IAEG (1981), define o valor de 1,25 MPa. Como consequncia, uma rocha de resistncia muito baixa pode ser classificada como rocha ou como solo, consoante o critrio definido na classificao utilizada. Este facto pode ter implicaes contratuais gravosas, relativas ao cumprimento do caderno de encargos de obras de engenharia interessadas nestes materiais de transio entre solos e rochas, designadamente em escavaes. de referir, no entanto, que o limite inferior de resistncia estabelecido por uma determinada classificao, no elimina a dificuldade do estabelecimento de uma fronteira ntida entre as rochas muito brandas e os solos coesivos, muito duros ou rijos, pois os materiais que se situem neste domnio de transio podem comportar-se como solos ou rochas, dependendo esse comportamento, fundamentalmente das condies em que so aplicadas as tenses (Hencher, 1993).

Para alguns autores, a forma mais apropriada para definir o conceito de rocha branda, consiste numa definio mais flexvel, de referncia, segundo a qual atribudo a estes materiais, um intervalo de variao da resistncia compresso uniaxial, entre um limite inferior e um limite superior. Johnston (1993), sugere que as rochas brandas constituem um grupo de materiais geolgicos, para os quais a resistncia compresso uniaxial, se situa aproximadamente, no intervalo entre 0,5 e 25 MPa, dependendo do sistema de classificao adoptado. Este autor refere ainda que o limite inferior considerado est relacionado com o facto de serem raras as referncias bibliogrficas sobre solos com uma resistncia compresso uniaxial superior a 0,5 MPa, enquanto que, considerando comportamento das rochas brandas, assim como, os vrios sistemas de classificao propostos na bibliografia, o valor de 25 MPa para o limite superior, parece ser o mais adequado.

Fig. 1.2 Definio de rocha branda de acordo com a classificao da ISRM, 1978 (adaptado de Hencher, 1993).

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Para alm da influncia do grau de saturao, e da anisotropia, na resistncia destes materiais, assim como, o comportamento face a uma solicitao dependente do tempo (creep), mesmo para tenses baixas, outras propriedades devem ser consideradas, quando classificamos as rochas brandas. As principais so a desagregabilidade (slaking), e a expansibilidade, devido a que exercem uma forte influncia sobre o comportamento destes materiais, como resposta s modificaes no teor em gua ou no estado de tenso (Duncan et al., 1968; Van Eeckhout & Peng, 1975; Okamoto et al., 1981; Ordaz & Argandoa, 1981; Kojima et al., 1981; Venter, 1981; Seedsman, 1986; Hongxi, 1993; Botts, 1998; Lashkaripour, 1998a; Dusseault et al., 1999; Gasc-Barbier et al., 1999). A desagregabilidade est basicamente, relacionada com a textura da rocha, enquanto a expansibilidade controlada pela composio mineralgica da rocha, nomeadamente a presena de minerais argilosos. 1.2.1 - Classificao das rochas brandas A necessidade de uma classificao das rochas em Geocincias bvia para qualquer gelogo. Nos manuais de Geologia, so abundantes classificaes de diversos tipos, com terminologias associadas mais ou menos complexas. Uma classificao possvel de rochas brandas, pode ser baseada nas suas origens. De acordo com esta ideia, Oliveira (1993), refere que a baixa resistncia destes materiais pode ser consequncia de:

i) ligaes fracas entre os constituintes; ii) meteorizao dos constituintes; iii) tectonizao (cisalhamentos devido a dobras e falhas); iv) presena de cavidades (vazios e cavernas), em macios de rochas solveis.

As duas primeiras, ligaes fracas e meteorizao dos constituintes, esto mais relacionadas com o material rocha, enquanto as duas ltimas, de ocorrncia muito frequente, tm um papel mais importante escala do macio rochoso. As classificaes geolgicas baseiam-se em regra, nas condies de gnese da rocha e em algumas das suas propriedades como a cor, textura, granulometria e composio mineralgica. No entanto, estes sistemas de classificao de natureza pouco quantitativa tm pouco interesse prtico, para um determinado problema geotcnico. Embora de forma implcita, se admita que um granito mais resistente que um xisto argiloso, a resistncia no constitu uma propriedade em que se baseie uma classificao geolgica. A influncia da alterao (primria ou deutrica e secundria ou meterica), na resistncia de um determinado tipo de rocha, no modifica a classificao geolgica dessa rocha. Um granito por exemplo, sempre classificado como um granito, independentemente, do seu estado de alterao. As descontinuidades no so um aspecto considerado nas classificaes geolgicas embora, a presena de descontinuidades diminua a resistncia das rochas e dos macios rochosos.

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O facto de as condies genticas das rochas brandas serem to diversificadas, torna muito difcil a aplicao de classificaes geolgicas de carcter geral a estes materiais. As classificaes geotcnicas de rochas e macios rochosos baseiam-se em regra, na determinao de valores numricos obtidos a partir de ensaios. Para Franklin et al. (1971), e Bieniawski (1974), os parmetros a utilizar neste tipo de classificaes devem obedecer aos seguintes requisitos:

i) serem obtidos a partir de observaes e/ou ensaios simples e prticos de forma a que a sua interpretao seja clara e facilmente utilizvel por qualquer pessoa;

ii) serem relevantes das caractersticas da rocha a classificar.

A maior parte das classificaes tm sido estabelecidas para fins geotcnicos especficos, tais como, obras subterrneas, escavaes e fundaes. Embora seja importante a existncia de uma classificao geotcnica geral de rochas, abarcando todos os tipos de rochas, grande a dificuldade no seu estabelecimento, como tm referido diversos especialistas em mecnica das rochas (Deere & Miller, 1966; Voight, 1970; Mller, 1974). As classificaes geotcnicas de rochas so mais simples que as classificaes geomecnicas de macios rochosos, porque as variveis introduzidas pelas descontinuidades, no so factores a ter em considerao. No caso das rochas brandas, devido sua reduzida resistncia e elevada deformabilidade frequente estes materiais serem classificados com base em parmetros mecnicos tais como a resistncia compresso uniaxial e/ou o mdulo de deformabilidade (e.g., Coates, 1964; Coates & Parsons, 1966; Deere & Miller, 1966; Stapledon, 1968; Geological Society of London (Anon, 1970; 1977); Morgenstern & Eigenbrod, 1974; ISRM, 1978; Dobereiner 1984; Barton et al., 1993). As classificaes baseadas em parmetros mecnicos tm como principal limitao no considerarem caractersticas muito importantes, em certos tipos de rochas brandas nomeadamente, a grande sensibilidade gua das rochas silto-argilosas. Devido dificuldade em descrever e caracterizar as rochas silto-argilosas, tm sido propostas vrias classificaes destes materiais rochosos evolutivos, baseadas nas propriedades mecnicas e na durabilidade, nomeadamente na susceptibilidade desintegrao (Deere & Miller, 1966; Gamble, 1971; Deo et al.,1974; Morgenstern & Eigenbrod, 1974; Lutton, 1977; Olivier, 1976; Franklin, 1981; Grainger, 1984; Felix, 1987; Taylor, 1988; Dick et al.,1994; Jeremias, 1997). As classificaes das rochas silto-argilosas, so descritas com detalhe no trabalho de Jeremias (1997). Existem muitas referncias bibliogrficas sobre a influncia das descontinuidades na resistncia ou qualidade dos macios rochosos. Por outro lado, rene consenso geral que as propriedades geotcnicas do macio rochoso so mais importantes que as propriedades geotcnicas da rocha. Como resultado, a maioria das classificaes geomecnicas de macios

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rochosos, com maior aceitao, incluem a avaliao das caractersticas fsicas e geomtricas das descontinuidades. A avaliao do comportamento geotcnico dos macios rochosos em obras subterrneas e em escavaes a cu aberto o principal objectivo da maior parte das classificaes propostas. As principais classificaes geotcnicas de macios rochosos apresentadas sob diferentes designaes tais como: Rock Mass Rating, RMR de Bieniawski (1973, 1974, 1976, 1978, 1979, 1984), Rock Structure Rating, RSR (Wickham et al., 1972); Rock Mass Quality, Q-System, Barton et al. (1974); Rocha (1976); Slope Mass Rating, SMR (Romana, 1985); Rock Mass Index, Rmi (Palmstrom, 1995, 1996), Geological Strength Index, GSI (Hoek & Brown, 1997), so objecto de uma reviso pormenorizada em Bieniawski (1989), e em Singh & Goel (1999). Uma comparao entre as classes de resistncia propostas pela ISRM (1978), pela Geological Society of London (Anon, 1970) e pela British Standard 5930 (British Standard 5930, 1981), representadas na Figura 1.3, revela que se existe, em regra, um consenso quanto s rochas mais resistentes, o mesmo no acontece em relao aos materiais de baixa resistncia, para os quais se nota uma ntida falta de coerncia, na definio dos limites das classes de resistncia, assim como, na terminologia usada pelas vrias entidades e autores (De Freitas, 1993).

Como mostra a Figura 1.3, existem diferenas significativas quanto terminologia, entre as descries norte-americanas e britnicas, para os materiais com resistncias abaixo dos 100 MPa. Hawkins (1998), refere que certos autores como Bieniawski (1973), consideram as rochas com resistncia at 25 MPa como rochas de muito baixa resistncia (very low strength), enquanto que a ISRM (1978), utiliza o termo rocha branda (weak rock), para um intervalo de resistncia semelhante. A IAEG (1979), define a classe de rocha branda (weak rock), at

Fig. 1.3 Comparao entre algumas das principais classificaes de materiais rochosos quanto resistncia compresso uniaxial (adaptado de Hawkins, 1998).

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15 MPa enquanto que a British Standard 5930 (British Standard 5930, 1981), define o limite entre resistncia moderadamente fraca (moderately weak), e a resistncia moderadamente elevada (moderately strong), para 12,5 MPa. Os materiais com resistncias entre 50 e 100 MPa, so descritos como resistentes (strong), pela British Standard 5930 (British Standard 5930, 1981), mas como de resistncia mdia (medium strength), por Deere & Miller (1966), e Bieniawski (1973). No entanto, Broch & Franklin (1972), utilizam o termo (medium strength), para materiais com resistncias entre 7,5 e 25 MPa. No entanto, verifica-se que os vrios autores tm adoptado as sugestes da ISRM. Por exemplo, Dobereiner & De Freitas (1986), descreveram os arenitos do seu estudo como brandos (weak), para resistncias at 20 MPa. A falta de consenso a nvel internacional acerca da terminologia sobre a resistncia das rochas, parece resultar do facto de os autores basearem as suas descries apenas no material particular que esto a estudar, ao contrrio de o fazerem para a generalidade das rochas (Hawkins, 2000). Verifica-se que acima dos 100 MPa a preciso dos limites entre as classes de resistncia, menos importante e da a escolha de uma escala logartmica (Figura 1.3). Por este motivo, tem pouca importncia geotcnica o critrio adoptado por certas entidades como a ISRM, IAEG e autores como Bieniawski (1973), ao colocarem o limite de 230 ou 250 MPa para os materiais extremamente resistentes, em vez dos 200 MPa adoptado no Reino Unido. Para fins de Engenharia, a descrio correcta das resistncias das rochas abaixo dos 50 MPa, bastante importante, uma vez que nestes materiais menos resistentes que ocorre grande parte das escavaes e obras subterrneas. Segundo Hawkins (1998), se o material rochoso tiver uma resistncia menor que 5 MPa, pode ser escavado com equipamentos mecnicos ligeiros independentemente, do espaamento das descontinuidades. Em macios em que o espaamento das descontinuidades menor que 200 mm, o desmonte pode ser feito equipamentos mecnicos ligeiros, at uma resistncia de 12-15 MPa. Se espaamento das descontinuidades maior, a escavao no pode ser feita por equipamentos mecnicos ligeiros, tendo de se recorrer ao desmonte com equipamentos mecnicos com ripper ou a explosivos. Para o mesmo autor, os materiais rochosos com resistncias de 20 e 25 MPa, raramente podem ser desmontados, de forma eficaz, por equipamentos mecnicos ligeiros excepto, se as descontinuidades principais tiverem uma orientao favorvel em relao direco da escavao. Deste modo, para uma descrio mais adequada dos materiais rochosos de mdia a baixa resistncia, nomeadamente de acordo com a sua escavabilidade, Hawkins (1998), recomenda que a terminologia proposta pela Geological Society of London (Anon, 1970) e pela British Standard 5930 (British Standard 5930, 1981), seja adoptada a nvel internacional. 1.3 - As rochas brandas no espectro geotcnico dos materiais Nos ltimos quarenta anos, a cincia e a prtica da Geotecnia tem sido separada em trs disciplinas distintas: a mecnica de solos, a mecnica das rochas e a geologia de engenharia. Embora esta separao seja conveniente, tambm pode causar problemas significativos,

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nomeadamente, quando se lida com materiais geolgicos de transio como os solos duros e as rochas brandas. Estes materiais apresentam caractersticas comuns tanto aos solos como s rochas duras, no colocando grandes dificuldades a um geotcnico familiarizado com as trs disciplinas. No entanto, constata-se que so raros os tcnicos com uma formao to abrangente. Verifica-se uma grande especializao dos geotcnicos, tendo os especialistas em mecnica de solos pouco conhecimento sobre o comportamento das rochas e vice-versa. Alm disto, esta lacuna agravada, na medida que uma grande maioria dos especialistas em mecnica de solos e mecnica das rochas tm poucos conhecimentos de geologia. Segundo Haberfield (2000), existem vrios factores que contribuem para uma separao entre disciplinas distintas para os solos e para as rochas, tais como: i) razes histricas; ii) ensino; iii) material bibliogrfico; iv) mtodos de prospeco geotcnica e ensaios de laboratrio; v) identificao, descrio e classificao; vi) associaes tcnico-profissionais distintas (ISSMGE, ISRM e IAEG). Nas situaes em que os materiais de transio, como as rochas brandas esto envolvidos podem ocorrer problemas, nomeadamente aqueles que esto associados com a extrapolao dos princpios da mecnica de solos e da mecnica das rochas a estes materiais (Johnston, 1993). Por exemplo, no caso de uma rocha muito alterada a completamente alterada, um especialista em mecnica de solos, tem a tendncia para aplicar as tcnicas concebidas para os solos, sem considerar o facto de a rocha branda referida, ser um meio mais descontnuo, mais resistente e mais frgil do que um solo. Da mesma forma, um especialista em mecnica das rochas, em relao mesma rocha branda, tem a tendncia para aplicar as tcnicas destinadas s rochas duras, ignorando que o material menos resistente, mais dctil e no qual as presses intersticiais tm uma influncia maior no seu comportamento. Nos dois casos, como resultado dessas extrapolaes, os parmetros de projecto so geralmente inadequados, conduzindo a solues de projecto, em regra, muito conservadoras, dispendiosas e por vezes, pouco eficientes. Deste modo as rochas brandas tm sido tratadas como materiais geolgicos que se situam na margem superior da mecnica de solos ou na margem inferior da mecnica das rochas (Figura 1.4). Consideradas materiais marginais, as rochas brandas no tm merecido a ateno que a sua ocorrncia frequente deveria exigir. Julga-se necessrio que seja dada nfase sua posio no espectro geotcnico e sua relao com os materiais geolgicos mais conhecidos, como o caso dos solos e rochas duras. Muitos dos problemas associados s rochas brandas esto relacionados com o facto destes materiais no se ajustarem bem, nem s tcnicas da mecnica de solos, nem s da mecnica das rochas. Consequentemente, na geotecnia das rochas brandas os parmetros nem sempre so obtidos de acordo com os mtodos tecnolgicos mais adequados a estes materiais, desvalorizando o seu mrito e eficcia, porque tanto a mecnica de solos, como a mecnica das rochas, possuem mtodos prprios e contrastantes, de classificao, caracterizao,

Fig.1.4 Posio das rochas brandas em Geotecnia (adaptado de Johnston & Novello, 1993).

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interpretao e dimensionamento. Assim, pode-se concluir que um entendimento racional acerca do comportamento geotcnico das rochas brandas, continua a estar longe de ser uma realidade. Alguns trabalhos tm demonstrado a existncia de um comportamento semelhante entre os solos, rochas brandas e rochas duras (Skempton, 1961; Novello, 1988; Novello & Johnston, 1989, Johnston, 1993; Johnston & Novello, 1993, entre outros). Algumas tendncias evidenciadas pelas suas principais propriedades geotcnicas, nomeadamente, a compressibilidade e a resistncia assim como, a influncia das descontinuidades, so descritas seguidamente, de forma sumria. Compressibilidade A diferena mais significativa entre os solos e as rochas duras est relacionada com o facto de os solos serem bastante mais compressveis do que as rochas. Skempton (1961), compara a compressibilidade da estrutura (C), e das partculas slidas (Cs), de vrios solos e rochas para uma tenso de confinamento de 100 KPa. Johnston (1993), adiciona dados obtidos por Chiu (1981), em rochas brandas, lista de Skempton (Quadro 1.1). A compressibilidade da estrutura varia bastante, (com os valores mais altos correspondendo aos solos moles com mais ndice de vazios), apesar das partculas slidas terem compressibilidades semelhantes. Quadro 1.1 Compressibilidades da estrutura do material e das partculas slidas, para diversos tipos de materiais (adaptado de Johnston, 1993).

Compressibilidade (x10-8 KPa-1) Material Estrutura

(C) Partculas Slidas

(Cs)

Cs / C

Argila mole 60000 2,0 0,00003 Argila rija 7500 2,0 0,00025 Areia solta 9000 2,7 0,0003 Areia densa 1800 2,7 0,0015 Siltito argiloso moderadamente alterado 600 2,7 0,0045 Siltito argiloso pouco alterado 150 2,7 0,018 Beto 20 2,5 0,13 Mrmore 17 1,4 0,08 Granito 7,5 1,9 0,25 Quartzito 5,8 2,7 0,47 Quartzo 2,7 2,7 1,00

A compressibilidade de cada material controlada pela compressibilidade da sua respectiva estrutura, a qual est relacionada com o ndice de vazios. Assim a variao do ndice de vazios um parmetro muito til na caracterizao desta propriedade geotcnica (Yoshinaka & Yamabe, 1981). A variao do ndice de vazios com a tenso efectiva vertical, traduzindo um comportamento tpico normalmente consolidado, para uma gama de materiais desde as argilas moles, passando pelas rochas brandas e rochas duras, at aos minerais apresentado na Figura 1.5 (Novello, 1988).

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As rochas brandas tm uma resposta compresso idntica dos solos, apresentando caractersticas de comportamento elstico (sobreconsolidado) e comportamento plstico (normalmente consolidado), separados por uma tenso de pr-consolidao aparente que aumenta com a resistncia da rocha. Relativamente s caractersticas de compressibilidade das rochas duras, bastante mais difcil obter resultados similares aos que se verificam nos solos e nas rochas brandas porque: i) a compresso das rochas duras exige tenses muito elevadas; ii) dificil obter medies precisas das deformaes muito pequenas que se registam nestes materiais. Na Figura 1.5, os dados sobre as rochas duras no so indicados devido a separao entre os dois tipos de comportamento no ser to definida como nos solos ou nas rochas brandas. No entanto, bvio que se eles tivessem sido representados no grfico, estariam localizados junto linha a tracejado que une os resultados obtidos para as rochas brandas e para os minerais. De facto esta linha parece ser uma extenso natural dos solos e das rochas brandas, na zona da rochas duras, sugerindo, deste modo, uma localizao potencial dos estados de consolidao normal para as rochas duras.

Deste modo os resultados apresentados na Figura 1.5 parecem indicar que os princpios da consolidao podem ser aplicados a todos os materiais de acordo com uma transio gradual desde os materiais mais porosos, como as argilas moles, at aos materiais mais slidos de que so exemplo, na figura, a calcite e quartzo. Resistncia As caractersticas que governam a resistncia dos solos e das rochas so semelhantes. A resistncia em regra, aumenta com a diminuio do ndice de vazios e com o aumento da tenso confinante. Os dois tipos de material so afectados de forma idntica pelo grau de saturao.

Fig. 1.5 Caractersticas de compressibilidade para diversos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993).

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Merecem referncia as comparaes entre os resultados obtidos para rochas brandas (e.g. Johnston & Chiu, 1981; Chiu & Johnston, 1984; Johnston & Novello, 1985; Novello, 1988) e para rochas duras (e.g. Gerogiannopoulos & Brown, 1978; Elliot & Brown, 1985; Michelis & Brown, 1986), com os resultados para solos (Schofield & Wroth, 1968; Atkinson & Bransby, 1978), evidenciando uma grande similaridade entre as caractersticas destes trs tipos de materiais, aparentemente diferentes. Alm disso nas rochas, ao contrrio dos solos, dada pouca ateno influncia da presso intersticial da gua durante o ensaio ou s condies de drenagem. Para os solos, assim como para as rochas brandas, as presses intersticiais da gua podem ter uma influncia significativa no valor da resistncia, enquanto que nas rochas duras, devido reduzida compressibilidade da sua estrutura, estas presses so muito menores e portanto, pouco influentes na resistncia destes materiais rochosos (Skempton, 1961; Bishop, 1973; Mesri et al., 1976). Por esta razo, qualquer comparao que seja feita entre as caractersticas de resistncia dos solos e as rochas deve ser baseada em resultados de ensaios em termos de tenses efectivas (Johnston & Novello, 1993). A resistncia tanto nas rochas como nos solos caracterizada por um ponto de cedncia (designado por tenso de pr-consolidao nos solos e nas rochas por tenso de transio entre o regime frgil e o regime dctil (Johnston & Novello, 1993). Para tenses de confinamento baixas (menores que a tenso de cedncia), tanto os solos como as rochas apresentam geralmente, um comportamento elstico (sobreconsolidado), o qual caracterizado por uma curva tenso-deformao do tipo elstico antes da tenso de pico, por rotura do tipo frgil ao longo de planos de rotura bem definidos e dilatncia significativa. Para tenses de confinamento altas (acima da tenso de cedncia), observa-se, em regra, um comportamento normalmente consolidado, com uma curva tenso-deformao do tipo dctil, rotura por deformao excessiva e contraco da amostra.

Fig.1.6 Caractersticas de resistncia para diversos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993).

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Os conceitos de estado crtico (Schofield & Wroth, 1968), so geralmente aplicados aos solos, sendo muito rara a sua aplicao s rochas. Novello (1988), prope que as caractersticas de resistncia das rochas possam ser obtidas no contexto do conceito de estado crtico. Assim, este autor considerando este conceito para um conjunto diversificado de materiais, desde os solos moles at s rochas duras e os minerais, verifica que o comportamento muito semelhante (Figura 1.6). Influncia das descontinuidades Em mecnica das rochas a considerao das superfcies de descontinuidade ou descontinuidades, quer escala do material rocha intacto (e.g. fissuras microscpicas e macroscpicas; foliao; interstcios), quer escala do macio rochoso (e.g. falhas, diaclases, superfcies de estratificao), de primordial importncia, no estudo do comportamento geotcnico destes meios descontnuos. De facto, o volume de material ensaiado assim como a orientao das descontinuidades, tm uma grande influncia na resistncia e deformabilidade dos materiais. Por exemplo, os ensaios de compresso uniaxial de amostras com pequenas dimenses, incluem no seu volume, um escasso nmero ou mesmo a ausncia de descontinuidades, pelo que a resistncia medida corresponde resistncia da rocha, sendo geralmente elevada. Ao aumentar o volume da amostra ensaiada, vo sendo includas tambm mais descontinuidades e por esta razo, nas amostras de grandes dimenses a sua resistncia influenciada, sobretudo, pelas resistncias das descontinuidades presentes e menos pela resistncia da rocha constituinte, fazendo diminuir a resistncia da amostra tanto mais, quanto menor for o espaamento das descontinuidades (Bieniawski, 1974).

A influncia da orientao das descontinuidades em mecnica das rochas ilustrada na Figura 1.7. So apresentados resultados de ensaios de compresso uniaxial em amostras de uma ardsia para diferentes orientaes da xistosidade em relao vertical. Verifica-se que quando a xistosidade tem uma orientao, segundo a qual faz um ngulo com a vertical um pouco inferior a 45 (aproximadamente 30), resistncia compresso da amostra, apresenta os seus valores mnimos. Em mecnica de solos, a influncia das superfcies de descontinuidade, como e.g. superfcies de laminao ou de estratificao, um assunto considerado de pouca importncia (Johnston & Novello,

1993). Os solos tem sido considerados como meios contnuos, homogneos e istropos.

Fig.1.7 Influncia da orientao das descontinuidades na resistncia de uma ardsia (adaptado de Hoek, 1965).

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No entanto, o comportamento dos solos pode ser influenciado por descontinuidades, como referido na bibliografia (Bishop & Little, 1967; Lo & Milligan, 1967; Lo, 1970; Skempton, 1970; Rowe, 1972). Verifica-se que a resistncia compresso uniaxial do solo da Figura 1.7, condicionada pela orientao das descontinuidades de forma similar resistncia compresso uniaxial da ardsia da Figura 1.8. As descontinuidades nos solos podem ter uma influncia, na resistncia e deformabilidade, muito semelhante das descontinuidades que ocorrem nas rochas. No entanto, como a resistncia de um solo muito menor que a resistncia de uma rocha, a influncia das descontinuidades na resistncia do material menos acentuada. Embora a importncia das descontinuidades possa ser maior, quando se trata de um material geolgico mais duro como as rochas, os princpios continuam a ser os mesmos. As rochas brandas no constituem uma excepo, nesta transio progressiva, pois elas apresentam o mesmo tipo de descontinuidades que ocorrem nos solos e nas rochas duras. 1.3.1 - O espectro geotcnico contnuo dos materiais Alguns autores como Johnston (1993), consideram que os solos e as rochas duras pertencem a dois grupos distintos de materiais, mas constituem os dois extremos do espectro contnuo dos materiais geolgicos, com os solos duros e as rochas brandas ocupando a posio central, como se mostra na Figura 1.9. Assim, as rochas brandas fazem parte de um espectro contnuo de materiais, abarcando desde as argilas moles e areias soltas at s rochas duras. No obstante o facto, de os solos e as rochas duras apresentarem um comportamento muito diferente, considera-se que estes materiais podem ser descritos e quantificados de acordo com os mesmos princpios (Johnston & Novello, 1993; Vaughan, 1997).

A diferena entre os dois tipos de material pode ser explicada por certas caractersticas predominarem nos solos e outras predominarem nas rochas duras. Por exemplo, devido maior compressibilidade dos solos, as presses intersticiais tm uma influncia muito

Fig.1.9 Espectro geotcnico contnuo dos materiais geolgicos (adaptado de Johnston & Novello, 1993).

Fig.1.8 Influncia da orientao das descontinuidades na resistncia de uma argila estratificada (adaptado de Lo & Milligan, 1967).

Rochas e macios rochosos de baixa resistncia

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marcante na resistncia destes materiais. Os mesmos princpios aplicam-se s rochas duras, mas devido compressibilidade destas ser muito menor, as presses intersticiais produzidas por compresso so muito pequenas e portanto, a sua influncia, em regra, pouco importante na resistncia. Por outro lado, nas rochas duras, as descontinuidades tm uma importncia muito grande no seu comportamento. Os mesmos princpios aplicam-se aos solos, no entanto, devido s caractersticas de resistncia das descontinuidades serem mais parecidas com as caractersticas de resis