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Mémoire de Maîtrise
DOI
10.11606/D.18.2019.tde-20122018-155306
Document
Auteur
Nom complet
Esteban Adolfo Vindas Arce
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2018
Directeur
Jury
Celestino, Tarcísio Barreto (Président)
Bortolucci, Antonio Airton
Fontoura, Sergio Augusto Barreto da
Titre en portugais
Caracterização de maciços rochosos massivos: uma aplicação às brechas vulcanoclásticas da Costa Rica
Mots-clés en portugais
Brecha vulcânica
Efeito escala
Maciços rochosos massivos
Túnel
Resumé en portugais
As brechas vulcanoclásticas massivas correspondem a maciços rochosos de fragmentos vulcânicos geralmente imersos numa matriz mais fina que estão caraterizadas por apresentar baixo fraturamento ou ausência de descontinuidades. Embora as brechas vulcânicas massivas sejam de baixa resistência, possuem condições mecânicas que permitem escavar taludes altos ou túneis moderadamente profundos mostrando comportamentos estáveis. Neste trabalho foi estudado um afloramento de brechas vulcânicas da zona Pacífica Central da Costa Rica, com o objetivo de caracterizar mecanicamente a rocha. Avaliou-se a influência dos clastos nas propriedades globais de resistência e deformação. Estudou-se também o fraturamento progressivo e o efeito escala sobre as propriedades mecânicas da rocha sob carregamentos de compressão uniaxial e diametral. Caracterizaram-se os constituintes da brecha vulcanoclástica e a relação da proporção e a distribuição dos tamanhos de blocos para as escalas de afloramento e de laboratório. Mostram-se as propriedades mecânicas dos blocos e da matriz, avaliando-se o contraste mecânico existente e a influência na resistência e deformabilidade da brecha. A resistência à compressão e o módulo de deformação da brecha obtidos nos ensaios de laboratório não apresentaram influência significativa com a variação da porcentagem de blocos entre 10% até 65%. A coesão mostra um decréscimo entre o 7%-19%, e o ângulo de atrito aumentou 1.1° e diminuiu 2.6° com o acréscimo da porcentagem volumétrico de clastos de 25% para 50%. Em termos comparativos com outras rochas similares, a brecha analisada apresenta pouca influência mecânica significativa dos blocos. Quanto ao processo de fraturamento no ensaio de compressão axial e diametral, mostram-se os tipos curva completas dos ensaios e sua relação com a emissão acústica (EA) e inspeções visuais. Realizaram-se observações do microfissuramento preexistente e do obtido ao longo do ensaio de compressão diametral, mediante ensaios de microtomografia de rádio X (μCT). De acordo com as observações nos ensaios de microtomografia, a propagação das fissuras é tortuosa e preferencial nos contornos dos clastos. Ocasionalmente, as fissuras podem cortar alguns blocos de densidade superior à matriz sem se perceberem mudanças na curva de força deslocamento ou acréscimos de resistência. Na inspeção macro dos testemunhos carregados, as trajetórias do fraturamento percorrem a matriz da rocha, a interface blocos-matriz, ou o interior dos blocos. O efeito escala sobre o comportamento mecânico foi estudado para amostras de diâmetro de 31 até 145 mm. A brecha vulcânica estudada se considera como uma rocha pouco fissurada e não apresenta efeito escala na resistência à compressão e tração, no comportamento da curva completa de compressão uniaxial, no módulo de deformação, no coeficiente de Poisson ou no fator de intensidade de tensão crítico. As curvas de força versus deslocamento horizontal no ensaio de compressão diametral apresentam comportamentos mais dúcteis para as amostras pequenas e tendências mais frágeis em tamanho maior. Finalmente o trabalho apresenta o caso de estudo de brechas vulcânicas massivas escavadas no túnel de condução da usina hidroelétrica Cachí na Costa Rica. Mostram-se a caracterização do maciço, a comparação comportamento teórico esperado da escavação comparado com o real percebido e as experiências da produtividade de escavação com métodos com explosivos e fresadora.
Titre en anglais
Characterization of massive rock masses: an application to volcanoclastic breccias of Costa Rica
Mots-clés en anglais
Massive rock masses
Scale effect
Tunnel
Volcanic breccias
Resumé en anglais
Massive volcanoclastic breccias are rock masses of volcanic fragments generally immerse in a fine matrix, and they are characterized by little or no presence of jointing. Despite massive volcanoclastic breccias being soft rock, they have mechanic conditions that allow them to be excavated in high slopes and moderately deep tunnels that present stable behavior. Volcanoclastic breccias of the Central Pacific of Costa Rica were studied for this dissertation aiming at mechanically characterizing this type of rock. The influence of the proportion of clasts was evaluated on the global properties of resistance and deformation. In addition, the progressive fracture process and the scale effect were studied focusing on the mechanical properties under uniaxial and diametrical compression loading. The constituents, the proportion and size distribution of clasts were characterized for outcrop and laboratory scales. The mechanical properties of blocks and the matrix are presented evaluating the mechanical contrast and the influence on the strength and deformability of the breccia. The compressive strength and the deformation modulus obtained in the laboratory testing do not present significance influence when the block proportion measured in the breccia rock cores changed varying from 10% to 60%. The cohesion decreased between a 7% and a 19% and the friction angle increased with the increment of the volumetric proportion blocks from 25% to 50%. The volcanoclastic breccias analyzed exhibit little influence of the mechanical properties of the blocks when compared to other similar rocks. When discussing the fracturing process in uniaxial and diametral compression test, the dissertation presents the types of complete curves and their relationship to acoustic emissions (AE) and visual observations. There are remarks of preexistent micro-fissuring and the fracturing status obtained in the diametral compression test by the ray-X micro tomography technique (μCT). In line with the observations in the micro tomography tests, the crack propagation path is tortuous preferably going through the surface of the clasts. Occasionally, the fracture can split some blocks denser than the matrix without changes in the force-horizontal displacement curve nor in the resistance. The fracture path goes through the matrix of the rock, the interface between the rock and the matrix and even the blocks. The scale effect in the mechanical behavior was studied in cores ranging from 31 mm to 145 mm of diameter. The volcanoclastic breccias are considered as a lightly fissured rock, and they do not present scale effect in the compressive and tensile strength, the deformation modulus, the complete curve behavior over the uniaxial compressional test, the Poisson´s ratio, and the critical fracture toughness. The complete force-horizontal displacement curves in the diametral compression test display ductile behaviors in the smaller diameters, and a trend of fragile behavior in bigger samples. Finally, this dissertation presents the study case of massive volcanic breccias excavated in the pressure tunnel of the Cachí hydroelectric project in Costa Rica. The characterization of the rock mass, a comparison of the excavation expected theoretical behavior with the real behavior and the experience of the excavation performance with the conventional methods and the roadheader mechanical methods are presented.
 
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dissertacaoesteban.pdf (32.61 Mbytes)
Date de Publication
2019-01-03
 
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