Aula3 - Índices Físicos Dos Solos e Rochas_2015

ÍNDICES FÍSICOS DOS SOLOS E ROCHAS

•ÍNDICES FÍSICOS

•Relações entre massas e volumes dos diversos componentes do solo que servem para classificá-los.

•Estes índices governam o comportamento de solos no que respeita as principais propriedades de engenharia: resistência, deformabilidade e pemeabilidade.

•Estes principais índices são aplicáveis tanto às rochas quanto aos solos.

•ÍNDICES FÍSICOS

1. Porosidade

2. Índice de Vazios

3. Massa Específica

4. Peso Específico

5. Peso Específico dos Grãos

6. Densidade

7. Grau de Saturação

8. Teor de Umidade

9. “Slake Durability”

10. Velocidade de Propagação de Ondas

11. Compressão Puntiforme (“Point Load Test”)

1. POROSIDADE

VAZIOS ESFÉRICOS

VAZIOS PLANARES (FISSURAS)

• Definição:

• Na indústria do petróleo o símbolo dado àporosidade é .

• É um parâmetro adimensional quevaria entre 0 e 1.

1. POROSIDADE

VVv

• A medida da porosidade em laboratório nãoinforma sobre a geometria dos mesmos.

• Correlações Físicas e Mecânicas (não lineares)

– Negativas• Resistência à Compressão Simples• Módulo de Deformabilidade• Peso Específico

1. POROSIDADE

• Correlações geológicas (tendências gerais e muito variáveis)

– Negativas:• Idade geológica• Profundidade de soterramento

– Positivas:• Grau de seleção• Grau de alteração

1. POROSIDADE

1. POROSIDADEPr

of. S

oter

ram

ento

(km

)

0

2

0.05 0.1 0.3

Log Porosidade

aumento da profundidade 250

200

150

100

50

0 10 20 30

Porosidade, %

Res

istê

ncia

à C

ompr

essã

o U

niax

ial,

MPa

redução da resistência

• Valores típicos de porosidade:– Rochas Sedimentares:

• 0<<90%

– Rochas Ígneas e Metamórficas• Sãs: <1%• Alteradas- 1< <20-25%

1. POROSIDADE

• Dois tipos :

– Efetiva ou aparente – volume de poros interconectados na rocha.

– Absoluta ou total – volume ocupado por todos os poros interconectados ou não (e.g. basalto amigdaloidal).

1. POROSIDADE

ALGUNS VALORES DE POROSIDADE

2.Índice de Vazios

• Definição:

• Também é adimensional.• Menos usado na mecânica de rochas do

que na mecânica dos solos.• Útil para o cálculo de outros índices.• Também varia entre 0 e 1?

s

v

VVe


• Definição:

• Unidades mais usadas: g/cm3 ou kg/dm3

• Massa Específica Seca: M=Ms

• Massa Específica Saturada: M=Ms+Mf (S=1)

VM

4. Peso Específico

• Definição:

• Unidade no SI: KN/m3

• É a massa específica multiplicada pela aceleração gravidade.

VW

• Pelo fato da maior parte das rochas terem a densidade dos grãos muito similar, o peso específico é uma função da porosidade.

• Correlações:– Positivas

• Profundidade de soterramento• Resistência à compressão simples• Módulo de deformabilidade

4. Peso Específico

• Correlações:– Negativas:

• Porosidade• Grau de intemperismo

• Útil para o cálculo das tensões verticais atuantes a uma determinada profundidade (z):

4. Peso Específico

zv

4. Peso EspecíficoPESO ESPECÍFICO DA ÁGUA (w) = 10 KN/m3

5. Densidade• Podemos definir a densidade da rocha (Gr) e a

densidade dos grãos (G).

• A densidade é adimensional• O peso específico da água a 4oC.• Também é muito útil na determinação de outros índices.• A densidade de uma rocha pode ser calculada como uma média da

densidade dos grãos ponderada pelo percentual de cada mineral na rocha.

w

rdrG

,

w

sG


• Definição:

• S=0 (rocha seca) e S=1 (rocha saturada)• A definição acima é válida para meios saturados

com um único fluido.• Para meios com diferentes fluidos deve-se

determinar a saturação relativa entre os fluidos.

v

f

VV

S

• Na produção de petróleo, raramente oreservatório está preenchido por um únicofluido. O óleo e a água estarão presentesem saturações relativas varáveis com otempo.


o

w

o

v

v

w

o

wow V

VVV

VV

SSS :

7. Teor de Umidade

• Definição:

• Índice físico adimensional• Diferentes medidas dão origem a diferentes

nomes para esse índice:– Absorção - rocha submersa em água por 48 horas.– Teor de umidade natural – teor de umidade da rocha no campo.– Teor de umidade de saturação – teor de umidade correspondente a S=1.

s

w

MM

Algumas Relações

Sequencia Natural de Cálculos


• Mudanças nas propriedades geomecânicas de rochas podem ocorrer dentro da vida útil de um empreendimento de engenharia.

• Processos físico-químicos (e.g. interação da rocha com o fluido de perfuração) ou mecânicos (e.g. ciclagem da umidade) pode levar a desagregação das rochas.

• É um processo freqüente em rochas sedimentares pelíticas (e.g. folhelhos).


• Principais mecanismos:– Pressurização nos poros– Expansão de argilominerais– Reações por oxidação e hidratação (e.g.

transformação pirita-jarosita).• Problema relevante:

– Perfuração– Barragens de enrocamento– Taludes de estradas (Serra do Espigão)


• Um bom índice para a desagregabilidade é o “slake durability index”.



recipientetambor

Malha metálica (2,0 mm)

fluido

Método de Ensaio:•10 fragmentos de rochas, aproximadamente esféricos e pesando 50g cada, são colocados no tambor e o conjunto pesado;

•Tambor é colocado no recipiente com fluido (e.g. água) e rotacionado a 20 rpm durante 10 minutos.

•O tambor é removido e o material retido é seco em estufa a 105oC durante 24 horas.

•O ciclo é repetido e o material seco retido após o 2o ciclo é pesado.

• O índice de desagregabilidade (“slake durability index” – SDI) é dado pela relação entre o peso retido após o 2o ciclo e o peso inicial da amostra.

• SDI = 100%, amostra não desagrega.


9. Ondas Acústicas

• A velocidade de propagação de ondas elásticas no laboratório pode ser medida a partir do tempo transito na rocha de pulsos gerados por cristais piezoelétricos.

ONDAS ELÁSTICAS

VOLUMÉTRICAS

Primárias (compressionais ou longitudinais)

Secundárias (cisalhantes ou transversais)

SUPERFICIAIS Rayleigh

Love

9. Ondas Acústicas

9. Ondas Acústicas

Onda primária

Onda secundária

9. Ondas Acústicas

osciloscópio

transdutor

Onda SOnda P

geofones

Fonte

receptor

Cristais piezoelétricos

• Trabalhamos com as ondas compressionais e cisalhantes.

• A velocidade das ondas elásticas dependem:– Propriedades elásticas da rocha:

• Módulo de Elasticidade (E)• Coeficiente ou Razão dePoisson ()

– Índice Físico• Massa Específica da Rocha ()

9. Ondas Acústicas

9. Ondas Acústicas

21

21

)1(2

)21)(1(1

ds

dp

Ev

Ev

9. Ondas Acústicas

10. Compressão Puntiforme

• Nem sempre é possível obter amostras de rochas (em sondagens) com geometria adequada para a realização de ensaios mecânicos. Motivos:– Maciço rochoso muito fraturado– Rocha muito alterada– Rochas que se desagregam

• O “point load test” foi desenvolvido para servir como um índice para a resistência à compressão simples (ou uniaxial).


• No PLT, a rocha é hidraulicamentecarregada entre duas placas cônicas deaço.

• A amostra é rompida pelo desenvolvimentode tensões de tração paralelas ao eixo decarregamento.


• Cálculo da resistência à compressão pontual.

• Onde:– F é a força aplicada– D é a distância entre os pontos de

carregamento


2DFPLS

• Detalhe importante:– O que se lê no manômetro acoplado ao equipamento é a pressão

de fluido na linha.– Para se ter a força F, usada na expressão de IS, deve-se calibrar o

equipamento antes do ensaio.


• Os procedimentos desse ensaio são descritos pela ISRM.

• Recomenda-se que os resultados de PLS sejam reportados para diâmetros de 50 mm e são chamados de IS50.

• A resistência à compressão uniaxial, C0, é aproximadamente 24 IS50.


• Geometria das amostras:


Ensaio Diametral

Ensaio Axial

Amostra Irregular

• Interpretação do ensaio


Ensaios Válidos

Ensaios Inválidos

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