Proposta de um procedimento para parametrização geomecânica de saprólitos de filito via ensaios triaxiais

Abstract

Os saprólitos consistem em rochas altamente alteradas a totalmente decompostas (grau intempérico W4 a W5, segundo a ISRM), com resistência à compressão uniaxial (UCS) normalmente entre 0.25 MPa a 5 MPa (=R1+), que preservam a trama (fabric) de sua rocha de origem e possuem comportamento mecânico transicional, entre solos e rochas. Em ambientes tropicais, como o Brasil, os saprólitos apresentam significativa espessura, sendo entendimento do comportamento mecânico e a determinação dos seus parâmetros geotécnicos de grande relevância em projetos de cavas à céu aberto e de infraestrutura em geral. No cenário atual, os saprólitos são avaliados sob a óptica da mecânica dos solos e das rochas, a depender de sua resistência. Especificamente, sua análise no âmbito da mecânica dos solos é empregada para materiais de menor resistência (<R1-) e abrange um processo que envolve desde a coleta dos blocos indeformados à interpretação dos ensaios realizados. Um obstáculo ao aprofundamento do conhecimento geotécnico quanto aos saprólitos, consiste na ausência de um padrão que contemple todas as etapas envolvidas na determinação dos parâmetros de resistência e deformabilidade e no entendimento adequado do comportamento mecânico. Neste cenário, a presente dissertação propõe e aplica um procedimento para a determinação dos parâmetros geotécnicos de saprólitos de filito. Os saprólitos de filito foram coletados na Mina A, por sua vez localizada no flanco oeste da macroestrutura do sinclinal Moeda, na Província Mineral do Quadrilátero Ferrífero, porção centro-sul do Estado de Minas Gerais. Os blocos de filito amostrados, seguindo o procedimento proposto, foram submetidos ao seguinte fluxo de atividades: I) descritos em campo com aferição dos parâmetros de resistência e posterior caracterização via petrografia microscópica; II) talhagem dos CPs considerando um conjunto de amostras com ângulo agudo entre a direção de confinamento (s3) e o plano de foliação metamórfica em torno 45° (amostras S1) e um conjunto de amostras com ângulo agudo entre a direção de confinamento (s3) e o plano de foliação metamórfica superior a 70°; III) determinação das propriedades índices (e.g. índice de vazios); IV) realização de ensaios CIU e CID para dois conjuntos de amostras, denominados S1 e S2; V) determinação do mecanismo de ruptura dos CPs, dos parâmetros de resistência e deformabilidade, bem como análise do comportamento deformacional e dilatância; VI) análise integrada de todas as informações obtidas. A análise integrada dos dados compartimentou os ensaios triaxiais em 4 grupos, sendo que cada grupo engloba ensaios de CPs que compartilham elementos como comportamento deformacional, dilatância, parâmetros de resistência e deformabilidade, dentre outros. A análise integrada dos dados culminou na compartimentação dos materiais com índices de vazios inferiores a 1 (grupos 3 e 4) e superiores a 1,2 (grupos 1 e 2). Os grupos 3-4 (índice de vazios < 1) registraram um comportamento mecânico mais próximo ao da rocha, apresentando: I) o cisalhamento como o principal mecanismo de ruptura, sendo controlado pela foliação metamórfica nos ensaios S1 e obliquo a estas estruturas nos ensaios S2; II) geração de poropressão predominantemente negativa e comportamento deformacional essencialmente elasto-frágil; III) maiores valores de coesão para os ensaios S2 (grupo 4), registrando a menor resistência ao cisalhamento ao longo do plano de foliação metamórfica. Os grupos 1-2 (índice de vazios > 1,20) registraram um comportamento mecânico mais próximo aos solos, apresentando: I) mecanismos de ruptura variáveis entre flambagem, cisalhamento paralelo e oblíquo à foliação metamórfica; II) geração de poropressão positiva; III) comportamento deformacional variável, abrangendo elasto-plástico, elasto-frágil, strain hardening e strain softening; IV) especificamente, os ensaios S1 (grupo 2) sob condições não-drenadas registraram um maior controle estrutural das rupturas dos CPs, sugerindo o efeito da poropressão ao longo dos planos de foliação. A caracterização petrográfica realizada indicou que os grupos 1 e 2 registram um grau intempérico W5, enquanto os grupos 3 e 4 registram um grau intempérico W4. A transição entre as faixas de intemperismo W4 para W5 ocorre associada a conversão de minerais primários (e.g. muscovita) em minerais secundários (e.g. sericita e caulim), alterando a trama da rocha, seus índices físicos e seus parâmetros de resistência e deformabilidade. Por sim, são apresentadas correlações com trabalhos pretéritos, bem como uma análise dos saprólitos de filito no contexto da transição mecânica rocha-solo. Entende-se que a aplicação do procedimento proposto abre uma janela de oportunidade para o aprofundamento científico quanto ao entendimento geotécnico dos saprólitos. Palavras-chave: saprólito, filito, procedimento, ensaios triaxiais.Saprolites are rocks that have undergone intense weathering to complete decomposition (weathering grades W4 to W5), with uniaxial compressive strength (UCS) typically ranging between 0.25 MPa and 5 MPa (=R1+). These materials preserve the fabric of the parent rock and exhibit transitional mechanical behaviour between soils and rocks. In tropical environments such as Brazil, saprolites often form thick weathered profiles, making the understanding of their mechanical behaviour and the determination of their geotechnical parameters crucial for open pit mine designs and infrastructure projects in general. Currently, saprolites are assessed using both soil mechanics and rock mechanics approaches, depending on their strength. Specifically, the soil mechanics approach is commonly applied to lower-strength materials (<R1-), involving a process that spans from the collection of undisturbed block samples to the interpretation of laboratory tests. A key challenge in advancing the geotechnical understanding of saprolites lies in the absence of a standardised procedure that comprehensively addresses all stages required for the determination of strength and deformability parameters, as well as for understanding their mechanical behaviour. In this context, this study proposes and applies a methodology for determining the geotechnical parameters of saprolites of phyllite. The samples were collected from Mine A, located on the western limb of the Moeda Syncline macrostructure, within the Quadrilátero Ferrífero Mineral Province in south- central Minas Gerais, Brazil. The block samples were subjected to the following procedure: (i) field description with preliminary strength assessment and subsequent petrographic characterisation; (ii) sample preparation with two sets of specimens — one with an acute angle of approximately 45° between the direction of confinement (s3) and the metamorphic foliation plane (S1), and another with an angle greater than 70° (S2); (iii) determination of index properties (e.g., void ratio); (iv) execution of CIU and CID triaxial tests on both S1 and S2 sample sets; (v) assessment of failure mechanisms, strength and deformability parameters, as well as deformational behaviour and dilatancy; and (vi) integrated analysis of all collected data. The integrated analysis grouped the triaxial tests into four categories (groups 1, 2, 3, and 4), based on common features such as deformational behaviour, dilatancy, and strength and deformability parameters. Groups 3 and 4, characterised by void ratios lower than 1, displayed mechanical behaviour more akin to rock, with: (i) shear failure predominating — controlled by foliation in S1 tests and occurring obliquely in S2 tests; (ii) predominantly negative pore pressure generation and an essentially elastic-brittle deformational behaviour; and (iii) higher cohesion values in S2 (group 4), where the lowest shear strength was associated with failure along the foliation plane. Conversely, groups 1 and 2, with void ratios greater than 1.20, exhibited mechanical behaviour more similar to soils, featuring: (i) varied failure mechanisms including buckling, shear parallel to foliation, and oblique shear; (ii) generation of positive pore pressures; (iii) diverse deformational responses, encompassing elastic-plastic, elastic-brittle, strain hardening, and strain softening behaviours; and (iv) particularly in the undrained S1 tests (group 2), a stronger structural control on specimen failure, suggesting a significant influence of pore pressure along foliation planes. Petrographic analysis indicated that groups 1 and 2 correspond to weathering grade W5, while groups 3 and 4 correspond to grade W4. The transition from W4 to W5 is associated with the alteration of primary minerals (e.g., muscovite) into secondary minerals (e.g., sericite and kaolinite), resulting in changes to the rock fabric, physical indices, and mechanical parameters. Finally, the study presents correlations with previous research and discusses the mechanical transition of saprolites of phyllite within the rock-soil mechanics. The application of the proposed procedure represents a significant step forward in advancing the geotechnical understanding of saprolites. Keywords: saprolite, phyllite, procedure, triaxial tests.