Cross-Scale Analysis of Basalt Rock Mass Deformation and Energy Evolution Based on In-Situ Bearing Plate Tests and DEM Simulation

Profundamente abaixo da superfície da terra, onde enormes barragens de concreto encontram o leito rochoso, a segurança de toda a estrutura depende de uma verdade única e frequentemente negligenciada: a rocha nunca é verdadeiramente sólida. A olho nu, uma montanha de basalto parece um bloco contínuo e inabalável. Na realidade, é um mosaico complexo de fragmentos de pedra mantidos unidos por rachaduras invisíveis, falhas antigas e camadas de material intemperizado. Quando engenheiros constroem uma barragem hidrelétrica, eles devem saber como esse mosaico oculto irá se esmagar, deslocar ou assentar sob o peso imenso da água. Se a rocha se deformar demais, a barragem pode rachar; se ela se deslocar de forma imprevisível, a fundação pode falhar. Por décadas, a maneira padrão de medir esse comportamento tem sido pressionar uma placa de metal pesada e rígida contra a face da rocha em um túnel e observar o quanto o solo afunda. Este teste simples revela a rigidez da rocha, mas mostra apenas o resultado final, não a mecânica oculta de como as rachaduras dentro da pedra estão se fechando, deslizando ou se partindo para permitir esse movimento.

Para entender o que acontece dentro da rocha durante esses testes, uma equipe de pesquisadores na Usina Hidrelétrica de Gushui, na China, combinou medições do mundo real com uma poderosa simulação computacional. Eles focaram no basalto, uma rocha vulcânica comum, e conduziram uma série de testes rigorosos onde pressionaram uma placa de aço de 0,52 metro de largura contra seis pontos diferentes no túnel. Eles aplicaram pressão em cinco etapas crescentes, até um máximo de 10,203 megapascais, e então a liberaram lentamente, repetindo este ciclo cinco vezes em cada ponto. Esse processo permitiu que medissem não apenas o quanto a rocha se moveu, mas quanto desse movimento foi permanente versus quanto retornou como uma mola. Os pesquisadores construíram um gêmeo digital desses testes usando um método que trata a rocha não como um bloco sólido, mas como uma coleção de milhares de pequenas partículas circulares. Ao simular exatamente os mesmos ciclos de pressão nessas partículas virtuais, eles puderam observar a dança invisível de forças, rachaduras e mudanças de energia que ocorrem dentro da rocha, algo que nenhuma câmera jamais poderia capturar no mundo real.

Os resultados dos testes do mundo real revelaram uma complexidade surpreendente que classificações simples de rochas haviam perdido. A equipe havia agrupado os locais de teste de acordo com o quanto a rocha havia sofrido intemperismo, esperando que os pontos "fracamente intemperizados" fossem mais moles e os "levemente intemperizados" fossem mais rígidos. No entanto, os dados contaram uma história diferente. Um ponto de teste específico, localizado próximo a uma pequena linha de falha que cortava a rocha em um ângulo de 35 graus, comportou-se de forma muito diferente dos outros. Quando os pesquisadores incluíram esse ponto controlado por falha em seus cálculos de média, o grupo "fracamente intemperizado" pareceu muito mais mole do que realmente era. Quando removeram esse único ponto, a rigidez média da rocha fracamente intemperizada saltou significamente, tornando-se ainda mais rígida que o grupo levemente intemperizado. Essa descoberta sugere que a presença de uma falha local ou de uma rachadura específica pode ter um impacto muito maior no comportamento da rocha do que o intemperismo geral da pedra. A força da rocha não é apenas uma questão de quão antiga ou exposta ela é, mas da geometria específica das fraturas que correm através dela.

Para ver por que isso aconteceu, os pesquisadores recorreram aos seus modelos computacionais, que atuaram como um microscópio de alta velocidade para o interior da rocha. Eles criaram três cenários digitais distintos: um representando a rocha fracamente intemperizada média, um para a rocha levemente intemperizada e um modelo específico para o ponto controlado pela falha. À medida que aplicavam pressão na simulação, observavam como as pequenas partículas interagiam. Nos modelos que representavam a rocha mais intacta, a pressão era distribuída de forma bastante uniforme e a rocha armazenava energia como uma mola comprimida, retornando bem quando a carga era removida. Mas no modelo com a falha de 35 graus, a história mudava completamente. A falha agia como uma dobradiça fraca, fazendo com que as cadeias de força — os caminhos através dos quais a pressão viaja — se desviassem e deslizassem. Em vez de a rocha se comprimir uniformemente, o movimento se concentrava ao longo da linha de falha. A simulação mostrou que, enquanto a rocha intacta gerava muitas novas pequenas rachaduras ao ser espremida, a rocha com falha gerava muito poucas rachaduras novas. Em vez disso, sua deformação massiva vinha do deslizamento e do atrito da falha existente contra si mesma. Esse deslizamento criou um grande volume de movimento permanente e irreversível, explicando por que aquele ponto de teste específico afundou muito mais do que os outros.

O estudo também rastreou como a energia se movia através da rocha durante esses testes. No mundo real, os pesquisadores mediram o trabalho total realizado pela máquina para empurrar a placa para baixo e quanta energia foi perdida como calor ou fricção durante a fase de descarregamento. Na simulação, eles puderam detalhar isso ainda mais, vendo exatamente quanta energia era armazenada nos contatos entre as partículas e quanta era perdida por fricção conforme as partículas deslizavam umas sobre as outras. Eles encontraram um padrão claro: o ponto controlado pela falha absorveu e dissipou a maior quantidade de energia, confirmando que a falha era a fonte primária da fraqueza da rocha. A rocha levemente intemperizada, apesar de possuir algumas microfissuras ocultas, mantinha melhor sua forma e armazenava mais energia elasticamente. Os pesquisadores foram cuidadosos ao notar que, embora o modelo computacional não pudesse replicar perfeitamente a natureza tridimensional da rocha real ou o assentamento dependente do tempo que ocorre no campo, as tendências eram inegáveis. O modelo reproduziu com sucesso as curvas de deformação específicas medidas no túnel, provando que a estrutura local da rocha, particularmente a orientação das falhas, é o fator dominante em como o solo se comportará sob a fundação de uma barragem.

Em última análise, este trabalho fornece uma imagem mais clara do que reside abaixo da superfície de um projeto hidrelétrico. Ele demonstra que confiar apenas em categorias amplas como "intemperismo" pode ser enganoso se uma linha de falha específica estiver presente. A massa rochosa não é um material uniforme; é uma coleção de zonas distintas onde as regras de deformação mudam com base nas rachaduras e juntas locais. Ao combinar testes físicos com simulações detalhadas, os pesquisadores mostraram que os movimentos mais significativos ocorrem não porque a rocha é velha ou macia, mas porque uma falha oculta está deslizando. Esse insight é crucial para engenheiros que projetam estruturas massivas, pois destaca a necessidade de olhar além dos tipos gerais de rocha e mapear as fraturas específicas e ocultas que poderiam ditar a estabilidade de toda a fundação. O estudo confirma que compreender a energia e a deformação da rocha exige olhar para a história específica e local de cada rachadura e falha, em vez de apenas para a idade geral da pedra.