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A análise da topografia de uma região em estudo para determinação do campo de tensões é fundamental devido às possíveis alterações causadas por vales e encostas nos tensores. Amadei e Stephansson (1997) e Stephansson e Zang (2012) ressaltam que uma configuração topográfica com vales e montanhas, como exemplificado na Figura 2.7, é capaz de criar uma concentração de tensão desigual nas paredes de escavações se executadas próximas a essas.

Figura 2.7 – Tensões em um maciço rochoso em local de topografia complexa com vales e montanhas (Amadei e Stephansson, 1997).

Brady e Brown (2004) explicam que para uma região de topografia plana, a componente de tensão vertical pode possuir um valor estimado que relacione a profundidade, o peso específico da rocha e a gravidade, conforme supracitado na Equação 1. No entanto, para topografias irregulares, como mostrado na figura acima, o estado de tensão pode ser considerado como a resultante da tensão proveniente da coluna de rocha em profundidade mais as componentes associadas à distribuição irregular da sobrecarga em superfície.

Em regiões de topo, geralmente, encontram-se tensões horizontais de tração, enquanto, em vales, são comuns componentes de compressão para as tensões horizontais, conforme analisaram Amadei e Stephansson (1997), Zhu et al. (1985), Stephansson e

Zang (2012). Entretanto, tal influência nas tensões in situ de acordo com Brady e Brown (2004) decresce rapidamente, à medida que a distância da superfície aumenta.

Trabalhos como Fairhurst (2003) e Zhu et al. (1985) apontam que em câmaras subterrâneas ou túneis pouco profundos pode-se ter grande influência topográfica nas tensões que atuam em seus maciços rochosos. Fairhurst (2003), Stephansson e Zang (2012) relatam túneis construídos na região norte da Suécia que apresentaram, em diversas fases de suas escavações, processos de rockburst. [Rockburst são rupturas explosivas de rocha que ocorrem quando uma concentração muita alta de tensão é induzida ao redor de aberturas subterrâneas superando a resistência do maciço rochoso com módulo de elasticidade alto, Hoek (2000)]. No trabalho de Fairhurst (2003), alguns túneis com ocorrência de rockburst estavam a apenas 100m de profundidade. De acordo com os ensaios de determinação de tensão realizados nesses, os valores para a tensão vertical eram oito vezes maiores que o esperado proveniente do peso da coluna de rocha. Portanto, irregularidades topográficas podem sem dúvida influenciar profundamente a redistribuição das tensões in situ e não devem ser ignoradas em projetos de escavação subterrânea.

2.6.2 Geologia

Stephansson e Zang (2012) e Amadei e Stephansson (1997) destacam que, em trabalhos para determinação do campo de tensões, o entendimento da história geológica de uma área de interesse é essencial e pode ser usado para definir a evolução do regime de tensões em que a mesma se encontra.

A determinação do campo de tensões requer uma caracterização detalhada da geologia do local que especifique e ressalve tipos litológicos, contatos estruturais, descontinuidades, processos erosivos, soerguimentos, glaciações, dados hidrogeológicos, neo-tectônica e outros. Stephansson e Zang (2012) também advertem que uma campanha de determinação de tensões in situ e a composição de um modelo de tensões não são recomendáveis sem um cuidadoso estudo prévio da geologia.

Trabalhos como de Amadei e Stephansson (1997), Tonon e Amadei (2003, citado por Stephansson e Zang, 2012) e Wileveau et al. (2007, citado por Stephansson e Zang, 2012), descrevem mudanças abruptas nas tensões in situ que ocorrem usualmente no contato entre rochas de unidades diferentes.

Além disso, no estudo das tensões in situ deve-se ter ainda um conhecimento adequado das propriedades físicas das rochas existentes, especialmente, da sua rigidez e resistências (à compressão e tração). Stephansson e Zang (2012) colocam que, no geral, tensões de maiores magnitudes são encontradas em rochas mais rúpteis, já que as tensões tendem a se concentrar mais nessas quando envoltas por outras de menor competência, ainda que estejam sujeitas a um mesmo campo de tensão.

Conforme descrito no item de classe de tensões, denominam-se como “tensão estrutural” as tensões que são influenciadas por estruturas do maciço rochoso como planos de anisotropia e heterogeneidades. A terminologia “tensão estrutural” foi proposta, inicialmente, por Jaeger e Cook (1979, citado por Stephansson e Zang, 2012). A Figura 2.8 exemplifica como a relação angular entre estruturas geológicas e as tensões principais podem modificar um padrão, a princípio esperado e contínuo, para a orientação das tensões.

Figura 2.8 – Tensões em materiais homogêneos, anisotrópicos e heterogêneos (Stephansson e Zang, 2012).

Anisotrópico

Stephansson e Zang (2012) mostram nos exemplos (b) e (e) da Figura 2.8, como planos de anisotropia são capazes de desviar a direção das tensões para coincidirem com a sua orientação. Já em (c) e (f), tem-se um material com heterogeneidades que também são capazes de perturbar o campo de tensões nas suas proximidades.

Além de planos de anisotropia e heterogeneidades, estruturas geológicas como falhas, fraturas, dobras, veios, estrias e diques podem afetar a distribuição e a magnitude das tensões in situ, fazendo com que o campo de tensões local seja, muitas vezes, diferente do campo regional, conforme descrito por Amadei e Stephansson (1997). Quando o campo de tensões regional se aproxima de uma descontinuidade relevante, por exemplo, uma zona de falha, esse é transferido para a descontinuidade e a escala de perturbação é governada pela resistência e deformabilidade da mesma.

Goodman (1989) também ilustra, Figura 2.9, a variação na tensão vertical ao longo de planos horizontais em duas profundidades distintas (seção A-A’ e B-B’), escavado em uma formação sedimentar com dobramento. No perfil, estão representados dois litotipos com propriedades de resistência diferentes, sendo a rocha central mais rúptil que a encaixante. Ao longo da seção A-A’, é possível ver como a tensão vertical aumenta ao se aproximar do centro do sinclinal, não sendo apenas o produto de ρ por z (profundidade). Já em B-B’, a tensão vertical é ainda maior que o esperado no meio do sinclinal, devido a maior concentração de tensão.

Figura 2.9 – Variação da tensão vertical nos planos horizontais A-A’ e B-B’ em duas profundidades em região dobrada (Goodman, 1989).

Estruturas, como as citadas acima, são muito utilizadas por geólogos para indicar a paleo-tensão de um ambiente e exemplificar o estado de tensão que prevalecia durante a gênese dessas estruturas. No entanto, Stephansson e Zang (2012) alertam que a tensão responsável pela criação dessas estruturas geológicas pode ter sido modificada por eventos tectônicos posteriores e que, por isso, a estruturação e a petrografia existente pode não ser correlacionável ao estado de tensão contemporâneo.

Fairhurst (2003) também descreve que fatores geológicos e a distribuição ao longo do tempo das forças tectônicas resultam na incerteza e dificuldade de se conhecer o total de esforços que se sucederam em um determinado terreno e ainda os que existem. Tal passado de esforços é então capaz de originar um sistema de tensões heterogêneas numa mesma região com diferenças consideráveis de magnitude e orientação. O autor explica que um campo de tensões heterogêneas é o resultado das forças tectônicas que durante sua história geológica tiveram sua orientação e magnitude modificadas, fases de dobramentos, falhamentos ou intrusões vulcânicas, por exemplo.

Rocha rúptil Rocha encaixante menos rúptil

σ/γ

Z