Ensaios Geomecânicos: o que são?

Quando pensamos em estabilidade de estruturas, raramente nos vem à cabeça com que tipo de estudos estamos lidando. No campo da mineração e da estabilização de estruturas, temos ao nosso favor a geomecânica e os ensaios geomecânicos. 

Não só na estabilidade atua esse estudo, mas também no entendimento do comportamento de um corpo de minério frente a determinadas situações e, até mesmo, de como aproveitar melhor as características daquele corpo em detrimento de sua explotação. 

A geomecânica 

A geomecânica é o grande ramo da engenharia que estuda de comportamento de solos e maciços rochosos a esforços solicitantes. Por mais que não pareça, esse estudo é muito importante porém sua importância levou muitos anos até ser tão considerada quanto é hoje. 

O estudo da geomecânica é dividido em dois grandes ramos. São eles a Mecânica das Rochas e a Mecânica dos Solos. Uma das diferenças apontadas entre o estudo das duas é o estado fundamental das estruturas em estudo. 

Enquanto na mecânica das rochas levamos em consideração grandes maciços rochosos, na mecânica dos solos o estudo pauta-se em partículas menores e mais suscetíveis a pequenos esforços. Esses pequenos esforços já podem causar uma grande movimentação, já que falamos de materiais muito pequenos. 

Por que não utilizar a mecânica clássica?

Questões frequentemente levantadas são o porquê da necessidade de um estudo especializado e o porquê de não se aplicar a mecânica clássica a esses casos. 

A natureza do objeto de estudo da geomecânica é a justificativa para esses questionamentos. A geologia apresenta uma série de variáveis que influenciam nas características físicas dos maciços rochosos. Por outro lado, as proposições da mecânica clássica são voltadas a materiais fabricados e, portanto, de propriedades conhecidas. 

Algumas dessas variáveis são: 

Mecanismo de Fratura das Rochas 

Os maciços rochosos, diferentemente de outras estruturas, sofrem mais frequentemente esforços de compressão. Essas outras estruturas geralmente estão sob um regime de tração. 

O fato dessas estruturas já estarem sob compressão atrapalha a análise de fricção entre dois planos de microfraturas. Tal fato pode causar uma alteração indesejada nos estudos de resistência ao confinamento.

Efeito da Água Subterrânea

Há uma redução da tensão normal efetiva sobre um maciço rochoso quando na presença de água sob pressão nos poros e fraturas desses maciços. A análise desse aspecto é muito importante, principalmente quando falamos de estabilidade de taludes. 

As argilas, por exemplo, têm sua resistência afetada pela água sob pressão. 

Intemperismo

Modificações químicas e físicas das estruturas rochosas. Esse processo é análogo ao que conhecemos como corrosão em estruturas da engenharia civil, por exemplo. 

Quais são os Ensaios Geomecânicos?

Para atestar determinadas características da geomecânica e a estabilidade dos corpos em estudo, utiliza-se métodos e ensaios em escala laboratorial. Alguns desses ensaios são: 

Ensaio de Resistência à Compressão Uniaxial 

Este ensaio tem como objetivo avaliar a resistência do corpo rochoso à aplicação de uma carga a um fator de aumento constante e, assim, obter dados como o Módulo de Elasticidade e o Coeficiente de Poisson. Esses dados auxiliam na caracterização e classificação da resistência da rocha intacta a fim de compreender a relação tensão X deformação. 

O teste consiste na colocação do corpo de prova cilíndrico retirado de acordo com normas da ISMR, num equipamento chamado MTS. Além disso, há a presença de dois dispositivos chamados extensômetros, que medem os valores de tensão axial, e deformações axial e radial. Esses extensômetros são utilizados até que a carga aplicada seja 70% da capacidade de resistência da rocha, por ser um equipamento frágil.

Com 70% de carga, eles são retirados e o ensaio volta a ocorrer até que a amostra se rompa. 

Ensaio de Resistência à Compressão Triaxial 

O ensaio triaxial nos fornece a tensão confinante e a tensão de ruptura. Esses dados, no final, serão os responsáveis pela obtenção do ângulo de atrito interno e da coesão da rocha.

A coesão da rocha trata do resultado do atrito entre as partículas quando submetidas à forças de cisalhamento. 

No caso deste teste, além da força axial aplicada,utiliza-se um fluido que é o responsável pela aplicação da tensão confinante. Esse fluído fica em volta de todo o corpo de prova, que estará protegido por uma capa de borracha. Assim como no teste de compressão uniaxial, uma força será aplicada a uma taxa constante e o fluído exercerá uma pressão no corpo de prova. Essa pressão é a tensão confinante. 

Índices físicos

O teste de índices físicos serve para determinar propriedades como densidade aparente seca e saturada das rochas, além da porosidade e absorção de água. 

Apesar das rochas serem conhecidas como já consolidadas, existe ainda a possibilidade de absorção de água ou ar entre as estruturas de seus minerais, por exemplo o quartzo. Por isso, esses pontos também devem ser caracterizados, já que a perda de resistência pode estar relacionada a esses processos. 

Para a realização deste teste, utilizam-se amostras de tamanho aproximado de 5 a 7 cm e com a relação base altura de 1:1. Obtemos então a massa seca do material depois de realizar a secagem em estufa e inicia-se o processo de imersão das amostras. O processo deve ser realizado com as amostras na mesma posição da bandeja, avançando o nível de água em terços de altura dos corpos de prova, de 4 em 4 horas, ficando submersas totalmente no último estágio por no mínimo 12 horas, totalizando 24 horas. 

Após esse tempo, as massas submersa e saturada são retiradas da amostra e com isso conseguimos os dados de interesse.  

Ensaio de Cisalhamento Direto (Tilt Test) 

É um ensaio barato e prático para a determinação do ângulo de atrito interno das descontinuidades dos maciços rochosos, um parâmetro que contribui para a resistência ao cisalhamento. Para isso, a rocha é colocada em uma prancha que vai sendo inclinada até que o corpo de prova comece a deslizar pela superfície. 

Os corpos de prova são retirados em formato cilíndrico e suas extremidades são polidas. Além disso, é importante ressaltar que para que o teste não sofra alterações, depois de cada teste a prancha deve ser limpa, de forma a retirar o pó de rocha que fica na superfície. Esse pó de rocha pode aumentar o atrito na prancha e, assim, alterar os resultados dos testes.

Porque precisamos dos ensaios geomecânicos? 

Os ensaios geomecânicos servem para diferentes frentes de trabalho e geram dados que podem ser analisados de acordo com a necessidade do cliente. Os testes de compressão uniaxial e triaxial, por exemplo, podem ser priorizados quando fala-se de estabilidade de estruturas. Já testes como os tilt tests e os de índices físicos podem ser mais interessantes quando estamos falando de qualidade de granitos e outras rochas para revestimento.

Falando mais especificamente da mineração, esses dados são utilizados na hora de definir frentes de trabalho, materiais para desmonte de rochas, plano de fogo e até mesmo métodos de lavra com melhor custo-benefício em situações desfavoráveis. Além disso, sua necessidade se mostra quando o interesse é no aumento do volume de produção e das dimensões de minas subterrâneas, já que nesse caso é imprescindível conhecimentos relativos a resistência à compressão uniaxial.

Autora: Gabriella Lorena

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