Ensaios índice

Por diversas ocasiões em obra, a elevada dificuldade para obter amostras adequadas para a realização de outros ensaios, nomeadamente em rochas brandas, conduz à necessidade de se recorrer a ensaios simples e expeditos, pouco sofisticados e de baixo custo para que seja possível identificar o material rocha. Este tipo de ensaios permite determinar propriedades índice da rocha, para além de traduzir razoavelmente o comportamento do material rochoso intacto em termos de durabilidade. Os ensaios índice permitem, também, estabelecer correlações, de forma indirecta, com as propriedades mecânicas da rocha intacta, nomeadamente resistência e deformabilidade (Pinho, 2003).

É de referir que a expressão “rochas brandas” define o material com características mecânicas deficientes, designadamente, de alta deformabilidade e baixa capacidade resistente, que se encontra na fronteira entre solos e rochas. A maioria dos ensaios-índice com aplicabilidade às rochas brandas são realizados de acordo com os métodos sugeridos pela ISRM. O tipo de ensaio-índice a ser utilizado deve depender do tipo de rocha a ser analisada e do problema geotécnico em questão. Apresentam-se alguns dos ensaios-índice mais indicados para a caracterização das rochas brandas (Pinho, 2003):

• porosidade;

• teor em água

• peso Volúmico

• desgaste em meio húmido - Slake Durability test

Em seguida descreve-se resumidamente cada tipo de ensaio, como também algumas correlações, de forma a averiguar os parâmetros característicos. Os procedimentos laboratoriais para os ensaios aqui referidos podem ser encontrados em ISRM (1979b).

Porosidade

A porosidade é a propriedade-índice que mais afecta as características resistentes e mecânicas da rocha, sendo esta inversamente proporcional à resistência e à densidade e directamente proporcional à deformabilidade, já que a existência de vazios pode dar lugar a zonas de fraqueza. A porosidade pode variar entre 0 e 100%, sendo comum apresentar valores entre 15 e 30%. Traduz-se pela expressão 2.9 o valor da porosidade, n, sendo esta a relação entre o volume ocupado pelos vazios da rocha (Vv) e o volume total (Vt).

n(%) = Vv Vt

2.3. CARACTERIZAÇÃO LABORATORIAL 17

Devido à grande influência da porosidade da rocha na sua resistência mecânica, torna-se natural que uma relação entre ambos tenha surgido ao longo dos anos, de forma a descortinar a resistência à compressão das rochas, em especial aquelas que maior dificuldade apresentam para recolha de amostras intactas. É possível encontrar algumas correlações entre a porosidade, e a resistência à compressão da rocha intacta na bibliografia, nomeadamente em Zhang (2005). Palchik & Hatzor (2004) definiram uma relação exponencial entre a porosidade e a resistência à compressão da rocha intacta que pode ser traduzida pela expressão:

σci= ae−bn (2.10)

onde a e b são constantes que dependem das propriedades da rochas e podem ser obtidos pela Tabela 2.9 para diversos tipos de rochas:

Tabela 2.9: Valores de a e b para vários tipos de rocha (Palchik & Hatzor, 2004).

Nota: Para os valores de a e b listados na tabela, a resistência à compressão uniaxial σcivem em

MPa e a porosidade n em %. r2

é o coeficiente de determinação.

Demonstra-se também pela Figura 2.5 um modelo de variação da resistência à compressão uniaxial da rocha intacta com a porosidade, para vários tipos de rochas apresentado por Adachi & Yoshida (2002), podendo esta ser uma via para determinação da resistência à compressão uniaxial da rocha intacta.

Teor em água

O teor em água no material rocha é um índice de muita utilidade no estudo do comportamento geotécnico de rochas brandas. Esta grandeza afecta significativamente a resistência à compressão da rocha, isto porque a presença de água no interior do maciço leva a uma redução de tensões efectivas e consequente diminuição de resistência do maciço rochoso (Romana & Vásárhelyi, 2007). É recomendado que, de forma a classificar o maciço rochoso a nível de resistência a rocha intacta, seja efectuado o ensaio a seco; no entanto, as pressões intersticiais instaladas e a sensibilidade do maciço perante a presença de água devem ser contabilizadas aquando efectuado o projecto de estabilidade (Vásárhelyi & Ván, 2006).

O teor em água (w), é quantificado pela razão entre o peso da água presente numa determinada amostra e o seu peso seco, dado em percentagem (%):

w = WW WS

Figura 2.5: Relação entre porosidade e resistência uniaxial da rocha intacta (Adachi & Yoshida, 2002).

Um variado número de autores (Hawkins & McConnel, 1992, Hawkins, 1998, Vásárhelyi & Ván, 2006, Romana & Vásárhelyi, 2007, Peng & Zhang, 2007), têm tentado relacionar o teor em água com a resistência à compressão uniaxial da rocha. Embora muitos deles tenham chegado a conclusões interessantes, não é aceitável que estas correlações possam ser utilizadas nas formações rochosas mais comuns em Portugal. Todavia, apresenta-se como ponto de partida para obtenção da resistência à compressão uniaxial, a expressão proposta por Hawkins & McConnel (1992), efectuada através do estudo de 35 arenitos britânicos:

σci= ae−bw+ c (2.12)

Onde a, b e c são constantes que podem ser obtidas pela Tabela 2.10. Vásárhelyi & Ván (2006) apresentaram numa recente publicação outros valores para as mesmas constantes, mas relacionados com arenitos búlgaros. Contudo, apresentam-se aqui aqueles publicados por Hawkins & McConnel (1992).

O teor em água presente no material rocha está directamente relacionado com a porosidade, como tal, estas duas grandezas podem relacionar-se pela expressão 2.13. Assim sendo, ao determinar o teor em água é possível descortinar a resistência à compressão uniaxial da rocha intacta através da Figura 2.5 com a relação proposta pela expressão 2.13.

2.3. CARACTERIZAÇÃO LABORATORIAL 19

Tabela 2.10: Valores de a, b e c para arenitos proposto por Hawkins & McConnel (1992).

Sr× n

1 − n = ρ × w (2.13)

em que Sr corresponde ao grau de saturação do material rocha dado em percentagem (%), determinado em laboratório tendo em conta a equação 2.14 e ρ é a densidade da rocha igualmente determinada em laboratório:

Sr = Vw Vv

(2.14) onde Vv e Vw corresponde ao volume de vazios e volume de água da amostra respectivamente, determinados em laboratório.

Peso Volúmico e Densidade

O peso volúmico (γ) é definido como o peso por unidade de volume da rocha. Este parâmetro depende da composição mineralógica, porosidade e quantidade de água podendo ser definido pela expressão:

γ = W

V (2.15)

em que W é o peso total da amostra e V é o volume da amostra de rocha.

O valor do peso volúmico é de extrema importância, pois permite conhecer o estado de tensão do maciço em qualquer ponto. São definidos na bibliografia valores típicos de peso volúmico e de porosidade das rochas pela Tabela 2.11. A densidade da rocha afecta directamente a sua resistência. A resistência à compressão da rocha intacta aumenta com o aumento da densidade da mesma,

Tabela 2.11: Valores típicos de porosidade e peso volúmico das rochas (Rocha, 1976).

sendo esta determinada em laboratório como descrito pela ISRM.

Do mesmo modo que as outras propriedades-índice, têm surgido correlações entre a densidade da rocha intacta e a sua resistência à compressão uniaxial, especialmente no que respeita a rochas brandas. De acordo com Vásárhelyi (2005) esta relação pode ser descrita pela equação 2.16. No entanto, e pela mesma razão descrita anteriormente para o teor em água, torna-se necessário a validação da relação proposta de forma a ser aplicada directamente às formações rochosas mais comuns em Portugal. Esta relação proposta por Vásárhelyi (2005) é apresentada como directriz para relacionar ambas as grandezas:

σci= aebρ (2.16)

em que ρ é a densidade do material rocha, a e b representam constantes da rocha que podem ser obtidas pela Tabela 2.9 para vários tipo de rocha.

Ensaio de desgaste em meio húmido (Slake Durability test)

O ensaio de desgaste em meio húmido, foi inicialmente concebido para o estudo de rochas brandas, em especial, para rochas brandas argilosas nas quais há maior propensão à ocorrência de fenómenos de expansão, fracturação ou desintegração, quando sujeitas a ciclos de molhagem e secagem (Pinho, 2003). Este consiste em submeter uma amostra de material rochoso a ciclos normalizados de secagem, molhagem e acção mecânica. Este tipo de ensaio costuma ser utilizado na classificação e caracterização da durabilidade da rocha. O procedimento do ensaio encontra-se detalhado em ISRM (1979b).