As microesferas de vidro em modelos analógicos de cunhas compressivas.

Abstract

O intuito do presente estudo era avaliar em experimentos físico-analógicos o efeito de diferentes ângulos de atrito interno e basal de materiais granulares sobre a geometria, a mecânica e a cinemática de cunhas compressivas comparando-se experimentos de areia de quartzo com os de microesferas de vidro. O trabalho se iniciou com a caracterização física e friccional da areia e das microesferas de vidro. Assim, se determinou-se em microscópio de varredura eletrônico a textura e a forma dos grãos, e, em um aparelho de cisalhamento simples, um ring-shear tester, calculou-se os ângulos de atrito interno (Фi) e basal (Фb), bem como a coesão. Duas séries de experimentos físico-analógicos foram desenvolvidas, uma utilizando areia e a outra microesferas de vidro, empregando-se os mesmos substratos. Estes produziram modelos de ângulos de atrito basal: alto (Фb = 32.94°), médio (Фb = 25,68°) e baixo (Фb = 18.21°). Os modelos analógicos foram submetidos a um encurtamento de 38%, e, durante a deformação progressiva, mediram-se o espessamento, o ângulo de declividade e o comprimento da cunha compressiva assim como o espaçamento entre as falhas. As análises revelaram para a areia formas angulares com textura irregular (com fraturas conchoidais) enquanto os grãos de microesferas de vidro mostraram-se subarredondados e lisos e o aspect ratio foi de 1,58 e 1,31, respectivamente. Os ensaios no ring-shear tester mostraram, para ambos os materiais, um comportamento elasto/friccional plástico, no entanto, as microesferas de vidro (Фi = 34,10º) rompem sob magnitude de tensão cisalhante crítica inferior a da areia (Фi = 41,47°) e em um intervalo de tempo ligeiramente menor. A comparação entre as duas séries de experimentos mostrou pequenas diferenças nas características geométricas das cunhas compressivas quando deformadas sobre substratos de baixo a médio ângulo de atrito basal. A principal diferença geométrica residiu na morfologia das falhas, que é curva para a areia e aproximadamente plana para as microesferas de vidro. O encurtamento no pacote de microesferas de vidro sobre o substrato de alto ângulo de atrito basal gerou estruturas com a mesma arquitetura do que nos modelos de areia. Este fato sugere que a forma dos grãos influencia o estilo deformacional apenas quando o ângulo de atrito basal não for muito elevado. Os experimentos com as microesferas de vidro confirmaram o papel do atrito basal em modelos físicos uma vez que, quando encurtados sobre diferentes substratos, produziram geometrias semelhantes aos dos modelos de areia. Assim, observou-se que o experimento caracterizado por baixo atrito basal gerou cunhas pouco espessas, de baixa declividade, mas compridas e com alto espaçamento entre as falhas e maior número de retroempurrões. Os parâmetros se inverteram à medida que se aumentou o ângulo de atrito basal. As principais diferenças entre as duas séries residiram no mecanismo e no estilo da deformação que é mais plástico para as microesferas de vidro. Estas, por serem arredondadas, tem maior mobilidade e, assim, produzem uma deformação, por fluxo de grãos, mais forte do que a areia. Os modelos de microesferas de vidro revelaram a formação de planos de falhas longos e uma série de falhas curtas, de rejeitos pequenos, que conferiram aos modelos a aparência de dobras desarmônicas. Um experimento gerado com uma camada basal de microesferas de vidro, sob o pacote de areia, mostrou que o confinamento das microesferas induz a um fluxo dos grãos mais forte do que em situações não confinadas, o que explica o emprego das microesferas de vidro, na literatura, para simular descolamentos fracos. Os resultados obtidos no presente estudo permitem sugerir o uso das microesferas de vidro para a simulação da deformação compressiva de rochas incompetentes desde que a situação corresponda a uma deformação de ângulo de atrito basal pouco elevado. As vantagens deste material em relação a outros de comportamento elasto/fricional plástico, descritos na literatura (argilas úmidas, misturas de areia com cristais de micas etc.) são o seu baixo custo, sua composição homogênea e a facilidade de manuseio.