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MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO Naiara de Lima Silva Mestrado em Geotecnia – NUGEO/ UFOP Engenheira Ambiental - UESB Email: nls.naiara@gmail.com PROSPECÇÃO GEOTÉCNICA CONSTRUÇÃO CIVIL E ESTUDOS DO MEIO AMBIENTE. • Devem ser precedidos de estudos para caracterização geológico-geotécnica da área de interesse: – Distribuição dos diversos materiais – Parâmetros físicos dos materiais – Técnicas mais adequadas para intervenção no terreno – Volumes necessários pra remoção ou escavação – Necessidade de tratamento e estabilização do maciço – Indicação do melhor local para posicionamneto das estruturas de obras civis. PROSPECÇÃO GEOTÉCNICA EMPREENDIMENTO HARMÔNICO COM A NATUREZA DO TERRENO, ECONÔMICO E SEGURO! PROSPECÇÃO GEOTÉCNICA CUSTOS “Todas as sondagens são caras, mas as mais caras são aquelas que não foram feitas” (Ottman - Lahuec). • Empiricamente - 0,5 a 1% do custo da obra ⇒ Quanto maior o projeto menor o custo relativo. • Falta de informação ► custo mais elevado (salvaguarda do empreiteiro e do projetista) ► a obra pode tornar-se mais cara e demandar maior tempo para execução (problemas não previstos). • Economia de dinheiro ⇒ Maiores custos finais • Economia de tempo ⇒ Atrasos no empreendimento MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO • MÉTODOS DIRETOS → Observação direta do subsolo ou através de amostras coletadas ao longo de uma perfuração ou a medição direta de propriedades in situ ⇒ Escavações, Sondagens. • MÉTODOS INDIRETOS → Observação na superfície do terreno ou mesmo no ar, por meio de instrumentos, de certos campos de força naturais ou produzidos artificialmente ⇒ Geofísica. • MÉTODOS SEMI-DIRETOS → Obtenção de informações sobre características dos terrenos por correlações indiretas. Desenvolvidos para superar dificuldades de amostragem de certos solos, areias puras, argilas inconsistentes ⇒ Ensaios in situ. MÉTODOS INDIRETOS 1) INVESTIGAÇÃO DE SUPERFÍCIE 1.1) MAPEAMENTO • Identificação e representação espacial das unidades geológico-geotécnicas presentes; • Caracterização do comportamento das unidades frente as intervenções previstas; • Associação entre os elementos geológicos e os problemas geotécnicos decorrentes. A carta geotécnica, produto do mapeamento geotécnico, é uma forma de representar as informações do meio físico, tanto para obras civis como para subsidiar planos de uso e ocupação do solo. Filitos, Quartizitos, Xistos, Itabiritos, etc. O substrato rochoso é composto por rochas brandas, intercaladas ou associadas a rochas duras. O estado de alteração e o fraturamento intenso das rochas contribuem para o fraco comportamento geotécnico dos terrenos. MÉTODOS INDIRETOS 2) INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA • Determinação da distribuição em profundidade dos parâmetros físicos dos maciços: – Velocidade de propagação de ondas acústicas – Resistividade elétrica – Densidade dos corpos geológicos – Campo magnético • Estes parâmetros guardam relações com certas características geológico-geotécnicas dos maciços: – Estado de alteração – Grau de fraturamento – Tipo litológico – Presença de água MÉTODOS INDIRETOS 2) INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA • Não dispensa o apoio da Geologia nem eliminam a necessidade de sondagens diretas. • Reduzem trabalhos de campo e sondagens diretas, devendo ser considerados um auxiliar econômico e eficaz na resolução de problemas específicos. Objetivos • Identificação de grandes feições geológicas (contatos litológicos, zonas de fratura, profundidade do topo rochoso) nas fases de reconhecimento e estudos iniciais. • Juntamente com o mapeamento e de sondagens diretas, permite a tomada de decisões sobre a obra e sua locação. MÉTODOS INDIRETOS 2) INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA Principais Métodos • Métodos Geoelétricos – Eletrorresistividade (sondagem e caminhamento), Polarização induzida, GPR (Ground Penetrating Radar); • Métodos Sísmicos – Refração, Reflexão, Tomografia, Crosshole, Sonografia, Ecobatimetria; • Métodos Potenciais – Magnetometria e Gravimetria. Aplicabilidade As medidas geofísicas são bastante precisas, a ambiguidade surge na interpretação dos dados, já que não é o único modelo geológico que se ajusta aos dados obtidos! INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.1) MÉTODOS GEOELÉTRICOS • Detecção dos efeitos produzidos pelo fluxo de corrente elétrica em subsuperfície; • Medição de correntes elétricas, diferença de potencial e campo elétrico entre dois pontos da superfície. – Posição e geometria do topo rochoso – Caracterização de estratos sedimentares – Zonas de falha, zonas alteradas/fraturadas – Contatos litológicos, diques, cavidades – Nível d’água, fluxos subsuperficiais, etc. • Equipamentos: Fonte de energia (bateria ou motores geradores), unidade transmissora, eletrodos de emissão de corrente (antenas no caso de radar) e unidade de recepção e registro de dados. INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.1.1) Eletrorresistividade • Resistência de um meio à passagem de corrente elétrica. • Princípio: Injeção de corrente no terreno Maciços rochosos • Propagação eletrônica - transporte de elétrons na matriz da rocha (modo de agregação dos minerais e grau de impureza). • Propagação iônica - deslocamento de íons na água dos poros e fissuras das rochas. Resistivímetro de campo INTERVALO DE VARIAÇÕES • 10-5 ohm.m (minerais metálicos) • 107 ohm.m (sedimentos secos) INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.1.1) Eletrorresistividade • Argilas - grande capacidade de troca iônica, viabiliza um caminho adicional de condução de corrente elétrica, além do iônico; • Bauxita – presença de minerais metálicos (Fe, Al); • Arenitos - grande porosidade. No entanto, os espaços vazios podem armazenar eletrólito e diminuir a resistividade. 2.1.1) Eletrorresistividade Sondagem Elétrica Vertical (SEV) • Arranjo com dois elétrodos de corrente externos e dois de recepção internos (medição da diferença de potencial entre MN). • Aumentando-se a distância entre os eletrodos de corrente aumenta-se a profundidade investigada. • Estudo da distribuição vertical da resistividade. Resultados melhores em terrenos lateralmente homogêneos. 2.1.1) Eletrorresistividade Caminhamento Elétrico • Arranjo com dois elétrodos de corrente e dois de recepção. Mantem-se constante a distância entre os eletrodos de corrente e de recepção, deslocando-se o conjunto. • Estudo da distribuição horizontal da resistividade a uma ou várias profundidades (falhas, fraturas, diques, contatos litológicos, etc.) INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.1.2) Radar de Penetração no Solo (GPR) • Emissão de ondas eletromagnéticas (espectro entre 10 e 2.500 MHZ) e recepção por antenas dos sinais refletidos nas estruturas em subsuperfície. EQUIPAMENTOS DE GEO-RADAR INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.1.2) Radar de Penetração no Solo (GPR) • Ensaios não-destrutivos (grande aplicabilidade em áreas urbanas). • Facilidades operacionais: portabilidade dos equipamentos, grande versatilidade do arranjo de campo dos sensores e receptores. Seção de geo-radar indicando os limites da contaminação (atenuação do sinal) provocada pela infiltração de resíduos industriais. 2.1.2) Radar de Penetração no Solo (GPR) • A penetração do sinal do radar está condicionada pelas propriedades elétricas do terreno. – Baixa condutividade: sinal do radar atinge profundidades superiores a 20m. – Alta condutividade (argilas): podem reduzir a penetração do sinal a profundiades inferiores a 1m. • Frequência do sinal também contribui para maior ou menor penetração e resolução do método: – Maiores (200 - 2.500 MHz) – maior resolução; – Menores (10 – 200 MHz) – maior penetração Utilizado para estudosde contaminação de águas, profundidade do nível freático, detecção de espaços vazios (subsidências, camada asfáltica e estruturas de concreto). INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.2) MÉTODOS SÍSMICOS • Distribuição em profundidade da velocidade de propagação de ondas acústicas, intimamente ligada às propriedades físicas dos maciços. – Densidade, – Constantes elásticas, – Porosidade, – Composição mineralógica, – Conteúdo de água, etc. • Princípio: Sinais acústicos emitidos em superfície se propagam através das camadas geológicas, retornando à superfície ao serem refletidas ou refratadas nas interfaces, sendo captadas por receptores (geofones). INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.2) MÉTODOS SÍSMICOS • Equipamento de registro ⇒ Sismógrafo. INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2) MÉTODOS SÍSMICOS • Fontes de Energia: – Explosivos: • Permitem a emissão de um amplo espectro de frequências. • São fontes destrutivas e de custo alto. • Exigem profissionais habilitados. – Martelo, Rifle Sísmico, Queda de Pesos: • Situações em que não é recomendável uso de explosivos, por questões de segurança (Área Urbana). INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2) MÉTODOS SÍSMICOS 2.2.1) Sísmica de Refração • Tempo de propagação de ondas que viajam em meios subjacentes e são refratadas nas interfaces e captadas pelos geofones Depende do grau de alteração, fraturamento, saturação em água, tipo litológico. • Aplicação: Profundidade de topo rochoso, espessura de camadas, grau de escarificabilidade de maciço rochoso. 2.2.1) Sísmica de Refração Valores baixos (< 1.000 m/s) representativos de solo Valores altos (> 4.000 m/s) representativos de rochas sãs INVESTIGAÇÃO GEOFÍSICA 2.2.2) Sísmica de Reflexão • Mais adequado para investigações profundas, mas ultimamente utilizado em investigações rasas (≤ 30m). • A onda acústica emitida se irradia esfericamente a partir do ponto de origem, penetrando e sendo refletidas nas camadas subjacentes. MÉTODOS DIRETOS 1) POÇOS E TRINCHEIRAS DE INSPEÇÃO • Escavações manuais ou por meio de escavadeiras permitindo a observação visual direta do subsolo, com a possibilidade de coleta de amostras indeformadas. – Poços → escavação vertical (seção circular ou quadrada), permitindo o acesso para descrição das camadas de solos e rochas. A abertura em rochas é feita com furos de martelete, explosivos ou sonda rotativa de grande dimensão. – Trincheiras → com menor profundidade em relação aos poços, permitem uma seção contínua horizontal (grande extensão do terreno); MÉTODOS DIRETOS 1) POÇOS DE INSPEÇÃO MÉTODOS DIRETOS 1) TRINCHEIRAS DE INSPEÇÃO MÉTODOS DIRETOS 2) GALERIAS DE INVESTIGAÇÃO • Seções horizontais em subsuperfície. Permite o acesso direto às feições frágeis do maciço: – Posição espacial de planos de fraqueza do maciço, – Ensaios para determinar parâmetros geomecânicos, – Condições do fluxo de água subterrânea. • Proporciona um ótimo teste piloto das condições do maciço para obras subterrâneas. • Investigação relativamente cara, exigindo profissionais experientes – Equipamentos: Compressor de Ar, Tratores, Marteletes, Bomba de Concreto Projetado, etc. MÉTODOS DIRETOS 2) GALERIAS DE INVESTIGAÇÃO MÉTODOS DIRETOS 3) SONDAGEM A TRADO Perfuração manual de pequeno diâmetro , feito com o trado para a investigação de solo de baixa a média resistência. • Trado: concha metálica dupla ou espiral que ao perfurar o solo guarda em seu interior o material escavado. – Equipamento: hastes de ferro ou aço roscáveis (φ : 1/2” ou 3/4” e comp. de até 3 m), cruzeta para aplicação do torque e brocas (2”, 3” ou 4”). MÉTODOS DIRETOS 3) SONDAGEM A TRADO • Processo simples rápido e econômico para investigações preliminares das camadas mais superficiais dos solos. • Obtenção de amostras deformadas ao longo da profundidade (metro a metro), ou quando ocorre mudança do tipo de material perfurado. • Muito empregado na prospecção de solos em obras rodoviárias, na determinação do nível d’água e na perfuração inicial de sondagens mecânicas. Limitados a presença de pedregulhos, pedras ou matacões, para solos abaixo do NA e areias muito compactas. MÉTODOS DIRETOS 3) SONDAGEM A TRADO • Trados manuais → Cavadeira, torcido, helicoidal, concha. Pode atingir até 15 m, dependendo da compacidade e consistência dos solos. • Trados mecanizados (motor a gasolina) → permitem furos de maior diâmetro, atingindo maiores profundidades e atravessando solos mais compactos e mais rijos. TRADO MECÂNICO TRADO MECÂNICO MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Processo mais comum empregado na caracterização da cobertura terrosa dos terrenos naturais. Muito usado no Brasil, onde as condições de intemperismo formam espessa e contínua cobertura de solo. • O terreno é perfurado através do golpeamento do fundo do furo com peças de aço cortantes. • O processo de circulação de água facilita o corte e traz até a superfície o material desagregado. • Equipamento: • 1 Tripé • 1 Bomba d’água • 1 Tanque da água • Ferramentas de corte do solo. O diâmetro normal de perfuração é de 2,5” e, em geral, a profundidade varia de 10 a 20m. • Equipamento: Barrilete amostrador para sondagem à percussão MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Quando associada ao Ensaio de Penetração Dinâmico (STP), mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada. • Ao se realizar uma sondagem pretende-se conhecer: – O tipo de solo atravessado através da retirada de uma amostra deformada, a cada metro perfurado. – A resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador padrão, a cada metro perfurado. – A posição do nível ou dos níveis d'água, quando encontrados durante a perfuração. MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Execução da Sondagem A. Limpeza do terreno e abertura de sulcos para desvio de águas da chuva; B. Marcação dos furos (piqueteamento) ponto referência para medidas de profundidade e para amarração topográfica; C. A sondagem inicia com o trado concha, passando a utilizar trado helicoidal até o nível freático ou até atingido o impenetrável ao trado (avanço do trado helicoidal inferior a 5 cm em 10 min de perfuração); D. A sondagem passa a utilizar o avanço por percussão com circulação d’água (lavagem) onde é utilizado o trépano como ferramenta de escavação; MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO •Execução da Sondagem E. O sistema de circulação de água deve ser mantido a 30 cm do fundo do furo. Deve ser imprimido movimento de rotação ao hasteamento durante a ação do trépano; F. Detritos pesados (não carreados com a circulação de água) devem ser retirados com bomba-balde (baldinho); G. São registradas as transições das camadas pela observação do material tradado ou trazido a superfície pela água de lavagem; H. Deve ser registrado o nível freático. MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • A sondagem deve encerrar nos seguintes casos: – Quando atingir a profundidade especificada na programação dos serviços; – Quando ocorrer a condição de impenetrabilidade; – Quando prevista a continuidade da sondagem pelo processo rotativo. MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO •Ensaio de penetração SPT: A. Deve ser executado a cada metro a partir de 1 m de profundidade; B. O fundo do furo deve estar limpo; C. Consiste na penetração do barrilete (45 cm) através do impacto de um martelo de 65 kg caindo de uma altura de 75 cm. O martelo deve ser erguido manualmente por corda e polia; D. Apoiado a amostrador verticalmente no fundo do furo, o martelo é suavemente apoiadosobre a composição (penetração decorrente corresponderá a 0 golpes); MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Ensaio de penetração SPT: E. Não tendo ocorrido penetração ≥ 45 cm com o procedimento anterior, inicia-se a cravação do amostrador pela queda do martelo a 75 cm, anotando-se o nº de golpes necessários para cravação de cada 15 cm; F. O índice de resistência a penetração obtido do ensaio (NSPT) consiste no nº de golpes necessários para cravação dos 30 cm finais do amostrador; G. A cravação é interrompida e o ensaio de penetração suspenso quando se obtiver penetração inferior a 5 cm após 10 golpes consecutivos ou quando o nº de golpes ultrapassar a 50 num mesmo ensaio → impenetrável ao SPT. MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Ensaio de lavagem por tempo: A. Atingido o impenetrável ao SPT, havendo interesse no prosseguimento da sondagem por percussão, inicia-se o processo de avanço por lavagem para execução do ensaio de lavagem por tempo. B. São anotados os avanços obtidos a cada período de 10 min de lavagem; C. Quando, no mesmo ensaio de lavagem por tempo forem registrados avanços inferiores a 5 cm por 10 min, em três períodos consecutivos → impenetrável ao trépano; MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Índice de resistência a penetração – NSPT NSPT ⇒ soma do n° de golpes necessários a penetração dos 30 cm finais do amostrador padrão (Ex. 40, 37, 8). Apresentação de forma diferenciada: • O amostrador penetra somente com o peso do martelo - 0 golpes; • O solo é tão inconsistente ou fofo que ao primeiro golpe penetra mais do que os 45 cm do amostrador - Ex: 1/58; • O solo é tão rijo ou compacto que não se consegue cravar todo o amostrador, indicando-se a razão golpes/profundidade - Ex: 30/15. • Apresentação dos resultados da sondagem: • Apresentação dos resultados da sondagem: 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • A correlação básica do NSPT → os solos são classificados, quanto à compacidade (solos arenosos e silte-arenosos) ou consistência (solos argilosos e silte-argilosos). ABNT – NBR 7250/82 MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Vantagens da sondagem SPT – Custo relativamente baixo; – Facilidade de execução e possibilidade de trabalho em locais de difícil acesso; – Descrição do subsolo em profundidade e coleta de amostras; – Fornece um índice de resistência a penetração (NSPT) correlacionável com a compacidade ou a consistência dos solos; – Determinação do Nível Freático. MÉTODOS DIRETOS 4) SONDAGEM A PERCUSSÃO • Programação de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Em materiais impenetráveis a percussão (bloco de rocha, matacão, solo concrecionado ou rocha) é necessário a execução de sondagens rotativas. • Conjunto motomecanizado projetado para obtenção de amostras contínuas de materiais rochosos através de ação perfurante dada for forças de penetração e rotação. Permitem: • Obtenção de amostras → testemunhos de sondagem. • Determinação da permeabilidade in situ → ensaios de perda d’água. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Perfurado por meio de um amostrador (barrilete) com uma broca rotativa (coroa) acoplada na extremidade de uma haste rotativa oca. • Um motor (elétrico ou a combustão) produz movimento rotativo à broca; • O barrilete geralmente tem uma camisa livre em seu interior para preservar o testemunho do terreno. • Corrente de água injetada sob pressão por uma bomba no interior da haste, atua no resfriamento e lubrificação, retornando à superfície os fragmentos das rochas perfuradas através dos revestimentos e do furo aberto pela broca, MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Equipamento: Sonda rotativa – imprimem o avanço da perfuração, pressionando o hasteamento rotatório com macacos hidráulicos. Hastes - Tubos (1,5 a 6 m). Transmite movimentos de rotação e penetração à ferramenta de corte. Conduz água para refrigeração e limpeza do furo. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Equipamento: – Barriletes - Tubos destinados a receber o testemunho. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Equipamento: – Coroas - matriz de aço, corpo da coroa, saídas d’água e diamantes (ou vídia - pastilhas de tungstênio impregnadas na matriz). • matriz → elemento de fixação dos diamantes; • corpo da coroa → elemento de ligação da coroa com os elementos superiores; • saídas d’água → espaços deixados na coroa para saída da água de refrigeração; • diamantes (industriais) → cravados ou impregnados na coroa. As coroas são escolhidas em função da dureza da rocha a perfurar, e do diâmetro do furo que se pretende abrir. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Equipamento: – Revestimentos - Quando as paredes do furo são instáveis. Resistentes tubos de aço de parede fina; – Sistema de circulação de água - conjunto motor bomba, tanque e mangueiras. Refrigeração da coroa, expulsão dos detritos e adicional estabilidade das paredes por pressão hidrostática. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Operação da Sondagem: A. A sonda é instalada sobre plataforma ancorada no terreno; B. O conjunto (hastes, barrilete e coroa) é acionado junto com o sistema de circulação d’água. – Operação de manobra → ciclos sucessivos de corte e retirada dos testemunhos. O comprimento da manobra de perfuração é função do comprimento do barrilete (3 a 5 m) e da qualidade do material perfurado. – Recomendação: para que o maciço seja bem representado pelo testemunho comprimento da manobra > 95% do avanço. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Operação da Sondagem: C. Ao final da manobra o barrilete é retirado do furo e os testemunhos cuidadosamente removidos; D. Os testemunhos são dispostos nas caixas de testemunhos e medidos após arrumação que recomponha a disposição no barrilete. MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA MÉTODOS DIRETOS 5) SONDAGEM ROTATIVA • Apresentação dos resultados: – Registros sobre o tipo de sonda e diâmetros utilizados; – Natureza dos terrenos perfurados; – Nº de fragmentos em cada testemunho; – Perfil geológico; – Descrição detalhada dos testemunhos: • Classificação litológica; • Estado de alteração da rocha; • Grau de fraturamento (nº de fraturas/metro); • Recuperação • RQD (rock quality designation) • Classificação litológica – Classificação geológica simplificada - em muitos casos as informações implícitas são úteis. • Maciços calcários ⇒ Grutas, vazios • Materiais gipsíferos ⇒ Solubilidade, expansão • Materiais graníticos ⇒ Boa resistência, Dificuldade de escavação – Classificação litológica - Baseada na mineralogia, textura e fábrica dos materiais, além da gênese. • Estado de alteração do maciço (ABGE, 1998) • Graus de coerência • Grau de fraturamento – Número de fragmentos por metro (alguns consideram por manobra). • Recuperação – Porcentagem do comprimento total de amostragem recuperada pelo testemunho ⇒ f (fraturamento e alteração da rocha). • RQD (Rock Quality Designation) – Barriletes duplos (φ > 76mm)
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