Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

Resumo Técnico: Análise Comparativa da Zona Plástica em Galerias de Rocha Macia Profunda Considerando ou Não a Reologia

Definição do Problema
A mineração profunda na China frequentemente encontra galerias em formações de rocha macia que exibem um comportamento reológico (dependente do tempo) pronunciado. As análises elastoplásticas tradicionais de rochas de contorno de galeria frequentemente dependem da resistência à compressão de pico de amostras de rocha como critério de falha, negligenciando as características reológicas da massa rochosa. Esta abordagem frequentemente leva a resultados teóricos que superestimam a resistência da rocha circundante e subestimam a extensão da deformação e da zona plástica (de escoamento), resultando em projetos que se desviam da realidade da engenharia e comprometem a estabilidade de longo prazo. O problema central abordado é a discrepância entre as previsões teóricas da zona plástica e as observações de campo reais em galerias de rocha macia profunda, especificamente causada pela omissão dos efeitos reológicos e pela identificação incorreta do estado de tensão de pico em rochas circundantes estabilizadas.

Metodologia
O estudo utiliza uma abordagem multifacetada combinando monitoramento de campo, testes laboratoriais, derivação teórica e simulação numérica, centrada na câmara retificadora de carga a -848 m de uma mina.

1. Investigação de Campo: O local de estudo foi selecionado porque a rocha circundante havia atingido um estado estável após deformação inicial severa. Seções de monitoramento mediram deslocamentos superficiais (abaulamento do arco, convergência teto-piso, cantos do piso) para confirmar a estabilidade. Testes de velocidade de onda ultrassônica foram realizados para determinar a profundidade real da zona de escoamento (zona plástica) no campo, que variou de 2,7 a 3,2 m nas paredes laterais (ribs).
2. Testes Laboratoriais: Núcleos de rocha foram testados para determinar parâmetros mecânicos.
   • Compressão Triaxial: Amostras foram testadas sob pressões confinantes de 0, 4, 8, 12 e 16 MPa para obter curvas completas de tensão-deformação e resistências de pico ($\sigma_{pk}$).
   • Testes de Crepitação (Creep): Testes de crepitação com carregamento por etapas foram realizados sob as mesmas pressões confinantes.
   • Determinação da Resistência de Longo Prazo: Utilizando a "teoria da trajetória de terminação da crepitação", a interseção da trajetória de terminação de crepitação ajustada com a curva completa de tensão-deformação foi usada para determinar a resistência de longo prazo ($\sigma_{\infty}$) para cada pressão confinante.
3. Análise Teórica: Um modelo elástico-frágil-plástico foi estabelecido. O estudo derivou soluções analíticas para o raio da zona plástica sob duas condições:
   • Caso A (Considerando a Reologia): A tensão de pico da rocha circundante ($\sigma_s$) foi definida como a resistência de longo prazo ($\sigma_{\infty}$).
   • Caso B (Negligenciando a Reologia): A tensão de pico foi definida como a resistência à compressão de pico ($\sigma_{pk}$).
   • Soluções foram derivadas para condições axissimétricas ($\lambda = 1$) e campos de tensão biaxiais desiguais ($\lambda = 0,86$) usando o método de construção de tensão.
4. Simulação Numérica: O software de elementos finitos ABAQUS foi usado para simular a galeria. Dois modelos foram executados: um utilizando parâmetros de resistência de longo prazo (coesão $c_0 = 5,58$ MPa) e outro utilizando parâmetros de resistência de pico (coesão $c_0' = 11,26$ MPa).

Principais Contribuições

• Redefinição do Critério de Tensão de Pico: O artigo propõe que, para galerias de rocha macia profunda estabilizadas, a tensão de pico da rocha circundante deve ser equiparada à resistência de longo prazo da rocha sob uma dada pressão confinante, em vez de sua resistência à compressão de pico de curto prazo. Isso se baseia na premissa de que, se a tensão exceder a resistência de longo prazo, a deformação reológica instável continuará até que a tensão caia para um nível estável.
• Soluções Analíticas: O estudo fornece soluções analíticas elastoplásticas explícitas para o raio da zona plástica e distribuição de tensão, distinguindo cenários onde a reologia é considerada (usando a resistência de longo prazo) e onde é ignorada (usando a resistência de pico).
• Validação Comparativa: Ao integrar dados de campo, o estudo demonstra quantitativamente a magnitude do erro introduzido ao negligenciar a reologia.

Resultos

• Observações de Campo: A profundidade da zona de escoamento medida nas paredes laterais da galeria foi de 2,7–3,2 m.
• Comparação Teórica:
  • Negligenciando a Reologia: Usando a resistência de pico, o raio da zona plástica calculado foi de aproximadamente 2,83 m (para $\lambda=1$) e 2,93–3,22 m (para $\lambda=0,86$). O raio da zona plástica resultante nas paredes laterais foi de apenas ~0,68 m, sugerindo que a rocha permanecia amplamente elástica. Isso subestimou significativamente a zona de escoamento real.
  • Considerando a Reologia: Usando a resistência de longo prazo, o raio da zona plástica calculado foi de 4,96 m ($\lambda=1$) e 4,69–5,24 m ($\lambda=0,86$). O raio da zona plástica resultante nas paredes laterais foi de 2,42 m a 2,70 m, o que se alinhou estreitamente com a faixa medida em campo de 2,7–3,2 m.
• Simulação Numérica: Os resultados da simulação espelharam os achados teóricos. Ignorar a reologia resultou em uma zona plástica pequena, em formato de ferradura (~0,58 m de profundidade), enquanto considerar a reologia produziu uma distribuição elíptica com uma profundidade de ~2,12 m, muito mais próxima da realidade de campo.
• Distribuição de Tensão: Negligenciar a reologia levou a uma superestimação significativa da resistência da rocha circundante e a uma avaliação não conservadora da estabilidade.

Significância e Alegações
O artigo alega que as características reológicas da massa rochosa são um fator dominante na deformação e distribuição de tensão de galerias de rocha macia profunda. A principal significância reside no achado de que negligenciar a reologia leva a uma superestimação substancial da resistência da rocha circundante, resultando em cálculos de zona plástica que se desviam significativamente da prática de engenharia e impõem riscos de segurança.

Os autores afirmam que, para a avaliação da estabilidade de longo prazo e o projeto de suporte de galerias de rocha macia profunda, as características reológicas devem ser totalmente consideradas. Especificamente, a tensão de pico nos modelos teóricos deve ser baseada na resistência de longo prazo da massa rochosa, em vez de sua resistência de pico instantânea. Esta abordagem garante que as análises teóricas e os projetos de engenharia sejam consistentes com a evolução real da deformação e das condições de estabilidade observadas em campo. O estudo conclui que, embora as soluções analíticas exatas para pressões desiguais biaxiais permaneçam complexas, o método aproximado proposto considerando a reologia fornece uma base confiável e mais segura para aplicações de engenharia.