Um modelo constitutivo de dano para folhelho carbonáceo contendo uma única fissura sob ciclos de secagem-umidificação e compressão triaxial

Por que rocha fissurada em taludes é importante

Muitas rodovias, ferrovias e barragens em áreas montanhosas são escavadas em taludes formados por uma rocha escura e frágil chamada folhelho carbonáceo. Quando essa rocha é atravessada por fissuras e exposta repetidamente a ciclos de secagem e umidificação — como ocorre com as chuvas sazonais — ela enfraquece gradualmente. Esse enfraquecimento oculto pode criar as condições para colapsos e deslizamentos. Este estudo desenvolve uma formulação matemática para descrever como esse folhelho fissurado perde resistência sob variação de umidade e pressão confinante, auxiliando engenheiros a prever melhor a estabilidade de taludes a longo prazo.

Uma rocha que “respira” água

O folhelho carbonáceo é comum em obras de engenharia e é conhecido por sua sensibilidade à água. À medida que seca e depois absorve umidade repetidamente, seus poros internos se expandem e conectam, e fissuras existentes podem crescer. Os autores observam que esse ciclo reduz de forma contínua a resistência e a rigidez da rocha, o que, por sua vez, diminui a margem de segurança de taludes e obras subterrâneas. Estudos anteriores investigaram como ciclos de umidificação-secagem danificam rochas e como fissuras ou juntas as enfraquecem, mas nenhuma descrição única havia integrado todos os fatores essenciais ao mesmo tempo: o ciclo de umidade, a orientação da fissura e a pressão confinante do maciço rochoso.

Testando folhelho fissurado em condições realistas

Para abordar essa lacuna, os pesquisadores realizaram uma série de ensaios laboratoriais em blocos de folhelho carbonáceo, alguns íntegros e outros contendo uma única fissura artificial cortada em diferentes ângulos. Essas amostras foram submetidas a diferentes números de ciclos de secagem–umidificação e, em seguida, comprimidas sob várias pressões confinantes que imitam o peso do maciço sobrejacente. A partir das curvas tensão-deformação resultantes — gráficos que mostram quanto as amostras se deformam à medida que a carga aumenta — eles observaram padrões claros. Mais ciclos de secagem–umidificação deslocaram as curvas para baixo, indicando rocha mais fraca, enquanto maior pressão confinante as deslocou para cima, revelando um efeito de enrijecimento e ductilidade. O ângulo da fissura controlou a facilidade de colapso da amostra, sendo que uma fissura a 45° causou o maior enfraquecimento.

Construindo um mapa do dano dentro da rocha

Com base nessas observações experimentais, a equipe construiu um modelo de dano por etapas que separa três contribuições: dano microscópico causado pela secagem–umidificação, dano macroscópico devido à fissura pré‑existente e dano adicional que se desenvolve durante o carregamento. Cada tipo de dano é expresso por alterações na rigidez da rocha e combinado em uma única medida de dano “acoplado”. Crucialmente, eles dividem a resposta da rocha em dois estágios. O primeiro é um estágio de compactação, em que pequenos poros e microfissuras se fecham e a rocha se torna mais rígida. O segundo é um estágio de propagação do dano, no qual novas microfissuras se formam e se conectam, levando finalmente à ruptura. Essa abordagem segmentada permite que o modelo acompanhe a curva tensão-deformação completa, incluindo a compactação inicial não linear que modelos anteriores ignoravam.

Cinco etapas no caminho para a ruptura

Quando aplicaram o modelo aos dados de ensaio, as curvas previstas coincidiram de perto com as medidas, especialmente quanto à evolução do dano. O modelo mostra que o dano na rocha progride por cinco estágios, formando um percurso em S: uma fase inicial estável, um início suave do dano, uma fase de aceleração rápida, uma desaceleração à medida que a rocha se aproxima do limite de resistência e, finalmente, uma fase de terminação em que a rocha está amplamente rompida. O aumento do número de ciclos de secagem–umidificação desloca essa curva em S para a esquerda, ou seja, a rocha atinge dano severo a deformações menores. Maior pressão confinante desloca-a para a direita, retardando a ruptura e permitindo mais deformação antes do colapso. O ângulo da fissura controla quanto dano inicial a rocha apresenta e como o dano se propaga de forma direcional, atingindo severidade máxima quando a fissura está inclinada em cerca de 45 graus.

O que isso significa para taludes e túneis

Em termos práticos, o estudo fornece uma regra quantitativa de “intemperismo e ruptura” para folhelho fissurado: a umidificação e secagem repetidas atuam como um acelerador oculto do dano, a pressão confinante funciona como um cinto de contenção, e a orientação de uma fissura principal define o caminho preferencial para a ruptura. Ao capturar essas três influências em um único modelo que reproduz o comportamento real tensão-deformação, os engenheiros ganham uma ferramenta para prever como taludes de folhelho e escavações subterrâneas irão deteriorar-se ao longo de anos de estações e cargas variáveis. Isso pode orientar projetos mais seguros, monitoramento aprimorado e reforços oportunos antes que pequenas mudanças internas e invisíveis se tornem grandes desastres visíveis.

Citação: Li, Y., Wang, Y., Wang, R. et al. A damage constitutive model of carbonaceous shale containing a single crack under drying-weting cycles and triaxial compression. Sci Rep 16, 12427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41783-x

Palavras-chave: estabilidade de taludes rochosos, ciclos de secagem–umidificação, folhelho fissurado, modelagem de dano em rochas, compressão triaxial