tese 5,3 mb

Correlao entre a Rugosidade e o ngulo de Atrito em Superfcies de Descontinuidade Abertas

ngela Maria Moreira Fontes Miguel

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Geolgica e de Minas

Jri

Presidente: Professor Doutor Antnio Jorge Gonalves de Sousa

Orientadora: Professora Doutora Maria Matilde Mouro de Oliveira Carvalho Horta Costa e Silva

Vogal: Professora Doutora Ana Paula Alves Afonso Falco Neves

Novembro, 2011

I

Agradecimentos

Quero agradecer com um carinho especial aos meus pais, s minhas irms e ao Lus, pelo apoio

constante e compreenso que me dedicaram durante a realizao deste trabalho e durante todo o

meu percurso acadmico.

minha orientadora, Professora Matilde Costa e Silva, agradeo a orientao, o apoio tcnico e

humano dispendidos e os constantes ensinamentos, ao longo destes anos.

Ao Laboratrio de Geomecnica do IST agradeo o material e equipamento facultado. Ao Sr. Jorge

Fernandes um muito obrigada por toda a ajuda dada. Ao Eng. Gustavo Paneiro agradeo por todo o

tempo e ensinamentos dispensados.

Ao Pedro Correia agradeo a preciosa ajuda que me deu, com uma ferramenta por si criada, e

constante amizade e disponibilidade demonstrada. s minhas amigas Filipa Torcato, Catarina Matos

e Catarina Marciano, agradeo a amizade e companheirismo em todos os momentos. Agradeo aos

colegas e amigos Ana Sofia Alberto, Carina Verssimo, Joo Gabriel, Jlio Caineta, Maria Helena

Caeiro, Pedro Nunes, Tiago Henriques e a todos os que me acompanharam durante este percurso.

Quero tambm dar um agradecimento muito especial querida gata de Sousa, a Maior.

Um muito obrigada a todos!

II

III

Resumo

O presente trabalho foi realizado com o intuito de estudar a variao do ngulo de atrito de

descontinuidades rochosas com a rugosidade das superfcies destas. Para esta abordagem, foram

medidas as superfcies de dois tipos de rocha, calcrio margoso e xisto micceo, a fim de se

quantificar a rugosidade e foram realizados ensaios de deslizamento sobre as mesmas para a

obteno dos parmetros de resistncia.

A quantificao da rugosidade das descontinuidades foi feita atravs do parmetro linear de

rugosidade mdia, , e do parmetro de rugosidade superficial, . Estes parmetros foram

relacionados com o ngulo correspondente componente das asperidades, , obtido do ngulo de

atrito de pico, , nos ensaios de deslizamento de diaclases.

O estudo desenvolvido permitiu o estabelecimento de correlaes entre os resultados experimentais

obtidos e as caractersticas de resistncia de descontinuidades.

Palavras-chave: rugosidade, asperidades, descontinuidades, ngulo de atrito, resistncia ao corte.

IV

V

Abstract

This research was conducted with the aim of study the variation of rock discontinuities friction angle

with the discontinuities surfaces roughness. For this approach, the surfaces of two rock types were

measured, marly limestone and micaceous schist, in order to quantify their roughness. Shear tests

were also performed to obtain the shear strength parameters of the discontinuities.

The quantification of rock discontinuities roughness was performed using the arithmetical average

roughness parameter, , and the surface roughness parameter, . These parameters were related

with the angle corresponding to the asperities component, , derived from the peak friction angle,

, in joint shear tests.

The developed study, allowed the establishment of correlations between the experimental results

and the strength characteristics of discontinuities.

Keywords: roughness, asperities, discontinuities, friction angle, shear strength.

VI

VII

Lista de Abreviaturas e Simbologia

- ngulo de inclinao da superfcie, no tilt

test

- deslocamento tangencial

- ngulo de dilatncia no pico

- resistncia compresso da rocha

- tenso normal

tenso de transio entre regimes

- tenso tangencial

- resistncia ao corte de pico

- resistncia ao corte residual

- resistncia ao corte das asperidades

- ngulo de atrito da descontinuidade

- ngulo de atrito bsico

- ngulo de atrito de pico

- ngulo de atrito de pico, para rectas

corrigidas

- ngulo de atrito residual

- ngulo de dilatncia

- ngulo de dilatncia de pico

- rea total projectada

- rea projectada ou rea da seco

transversal de medio

- reas elementares triangulares

- rea superficial de contacto aparente

- rea superficial de contacto real

- razo entre a rea onde ocorre o corte

atravs das asperidades e a rea restante

- rea projectada das asperidades cortadas,

rea de superfcie real

- Arithmetical Average

- coeso aparente

- coeso residual

- Center Line Average

dilatncia

- ngulo de dilatncia, componente

geomtrica

- fora aplicada na amostra

- ngulo mdio da rugosidade

- (joint compressive strength) resistncia

compresso da rocha na superfcie da

fractura

- correco de escala para , bloco in

situ

- (joint roughness coefficient) coeficiente

de rugosidade da descontinuidade

- correco de escala para , bloco in

situ

- comprimento de perfil

- tamanho do bloco escala de laboratrio

(100 mm)

- tamanho do bloco in situ

M linha mdia central

- nmero de ordenadas

- presso (normal ; tangencial )

- nmero de Schmidt para superfcies

alteradas e molhadas

VIII

- nmero de Schmidt para superfcies

serradas ss e secas

- mdia aritmtica da rugosidade de um

perfil

- de perfis perpendiculares ao

deslizamento, direco

- de perfis paralelos ao deslizamento,

direco

valor mdio de da superfcie

- valor mdio de da superfcie

- valor mximo de da superfcie

) - valor mximo de da superfcie

- coeficiente de correlao

- coeficiente de determinao

- coeficiente de determinao ajustado

- desvio quadrtico mdio do perfil de

rugosidade

- coeficiente de rugosidade superficial

- seco da amostra

- componente relacionada com a rotura das

asperidades

- deslocamento horizontal medido na

direco de corte

- deslocamento vertical do plano mdio da

descontinuidade de pico

eixo dos x

eixo dos y

- altura das irregularidades

eixo dos z

- desvio quadrtico mdio da primeira

derivada do perfil

IX

ndice

Agradecimentos .................................................................................................................................. I

Resumo .............................................................................................................................................III

Abstract ............................................................................................................................................. V

Lista de Abreviaturas e Simbologia ................................................................................................... VII

1. Introduo ..................................................................................................................................1

1.1. Enquadramento geral ...............................................................................................................1

1.2. Objectivos ................................................................................................................................2

1.3. Organizao da dissertao ......................................................................................................2

2. Resistncia ao corte de descontinuidades ...................................................................................3

2.1. Introduo ...............................................................................................................................3

2.2. Superfcies planas e lisas ..........................................................................................................7

2.3. Superfcies Rugosas ................................................................................................................ 10

2.3.1. Superfcies idealizadas ..................................................................................................... 11

2.3.2. Superfcies Reais .............................................................................................................. 15

3. Rugosidade ............................................................................................................................... 25

3.1. Introduo ............................................................................................................................. 25

3.2. Mtodos para a descrio da rugosidade................................................................................ 30

3.3. Quantificao da rugosidade .................................................................................................. 36

3.3.1. Parmetros lineares