13 drenagem de escavações - 17ª aula teórica - cor

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il DRENAGEM DE DRENAGEM DE ESCAVAESCAVAÇÇÕESÕES

Autor: Eng.ª Rita Miranda

Coordenação: Prof. F. A. Branco, Prof. Jorge de Brito, Prof. Pedro Vaz Paulo e Prof. João Pedro Correia

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1. INTRODUÇÃO

2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS DEDRENAGEM DE ESCAVAÇÕES

3. TÉCNICAS DE DRENAGEM DE ESCAVAÇÕES3.1. Retenção de águas superficiais3.2. Captação directa3.3. Rebaixamento do nível freático3.4. Métodos de exclusão

4. ANÁLISE COMPARATIVA

5. REFERÊNCIAS

DRENAGEM DE ESCAVADRENAGEM DE ESCAVAÇÇÕESÕES

ÍÍNDICENDICE

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il 1. INTRODU1. INTRODUÇÇÃOÃO


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Drenagem de escavações

Conjunto de trabalhos efectuados para drenar a água existente na superfície do terreno, ou infiltrada neste, junto a escavações, com carácter provisório ou definitivo.

1. INTRODU1. INTRODUÇÇÃOÃO


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Razões para efectuar a drenagem das escavações:

- permitir trabalhar a seco no fundo da escavação (economia,comodidade e qualidade do trabalho, etc.);

- escoar a água da chuva, de outras origens superficiais ou deaquíferos subterrâneos;

- reduzir os impulsos em eventuais contenções provisórias; - prevenir situações de acidente (ex: instabilização dos taludes), garantindo a segurança dos trabalhadores e equipamento;

- tornar mais improváveis fenómenos potenciais deinstabilização do solo no fundo da escavação (arraste de finos,levantamento do solo ou a liquefacção);

- viabilizar determinadas técnicas construtivas (ex: paredes tipoMunique).



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ilPara que a drenagem atinja os seus objectivos, devem ser cumpridas as seguintes exigências:

- a posição do nível freático rebaixado deve ser continuamente controlada(para se evitarem flutuações passíveis de causar a instabilidade da escavação), não devendo baixar mais do que o necessário para a segurança da obra;

- o método escolhido deve assegurar a estabilidade dos taludes e fundo da escavação, bem como a integridade e segurança de estruturas adjacentes;

- nos casos em que se proceda a bombagem, devem utilizar-se filtros adequados, para que não haja arrastamento de finos do solo;

- no dimensionamento dos sistemas de bombagem deve ter-se em conta eventuais falhas de corrente ou outros imprevistos;

- a água retirada do terreno deve ser depositada em locais que não afectem a escavação nem os recursos freáticos existentes (colectores de esgoto, cursos de água, etc.).



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il 2. CLASSIFICA2. CLASSIFICAÇÇÃO ÃO DAS TDAS TÉÉCNICAS DE CNICAS DE

DRENAGEM DE DRENAGEM DE ESCAVAESCAVAÇÇÕESÕES


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Principais grupos de técnicas de drenagem de escavações

- Retenção de águas superficiaisImpedem o acesso da água superficial à escavação;

- Captação directaProcede-se à bombagem da água que aflui à escavação;

- Rebaixamento do nível freáticoEfectua-se a pré-drenagem do solo, através do rebaixamento do nível freático;

- Métodos de exclusãoImpede-se o acesso da água subterrânea à escavação, atravésda criação de barreiras físicas.

2. CLASSIFICA2. CLASSIFICAÇÇÃO DAS TÃO DAS TÉÉCNICAS CNICAS DE DRENAGEM DE ESCAVADE DRENAGEM DE ESCAVAÇÇÕESÕES


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Técnicas que se inserem em cada grupo

Retenção de águas superficiais- valas (valetas), muros e taludes.

Captação directa- bombagem.

Rebaixamento do nível freático- poços de bombagem;- agulhas filtrantes;- sistemas de ejecção;- electro-osmose;- captação horizontal.

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Técnicas que se inserem em cada grupo

Métodos de exclusão

Temporários (asseguram estanqueidade apenas durante o período de construção):- congelação do solo;- paredes de lamas bentoníticas;- estacas-prancha.

Permanentes (garantem estanqueidade a longo prazo):- paredes moldadas;- cortinas de estacas;- jet grouting;- injection grouting;- cortinas horizontais.

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il 3. T3. TÉÉCNICAS DE CNICAS DE DRENAGEM DE DRENAGEM DE ESCAVAESCAVAÇÇÕESÕES


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Em que consiste?

Em impedir o acesso da água superficial à escavação.

Como se coloca em prática?

Recorrendo a dispositivos (valas, muros e taludes),executados a toda a periferia da escavação, que captem a água no exterior e a encaminhem para fora da zona de escavação.


3. T3. TÉÉCNICAS DE DRENAGEM DE CNICAS DE DRENAGEM DE ESCAVAESCAVAÇÇÕESÕES

3.1 Reten3.1 Retençção de ão de ááguas superficiaisguas superficiais

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Valas (valetas)

Realizadas no pé do talude, procedem à condução da água, por gravidade, até pontos de recolha (poços), de onde esta é afastada para local de descarga adequado (colectores de esgoto, cursos de água, etc.), por gravidade ou por bombagem.




Principais cuidados:Evitar que o material fino do terreno seja arrastado e bombeado, de modo a minimizar o risco de instabilizar as paredes e fundo do poço, e até os taludes, e de desgastar o sistema de bombagem.

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Muros e taludes

Principais cuidados:Não deixar a água acumular na sua face, afastando-a para um local de descarga adequado.




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Em que consiste?

Em bombear a água que aflui à escavação para o exterior desta.


Recolhendo a água que aflui à escavação por (i) trincheiras(solos permeáveis) ou (ii) sistema de caleiras (solos impermeáveis) e conduzindo-a, por gravidade, até pelo menos um poço de recolha (chamada), de onde é bombada para o exterior.



3.2 Capta3.2 Captaçção directaão directa

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Trincheiras (solos permeáveis)

Aspectos principais:- pendente elevada e preenchimento com camada de materialfiltrante, para minimizar hipóteses de entupimento.

Caleiras (solos impermeáveis)

Aspectos principais:- ½ tubos embebidos em seixo ou brita e com pequena pendente;- executar sistema, sempre que possível, fora da área deimplantação da estrutura;

- assim que deixem de ser necessárias, proceder ao seupreenchimento com argamassa não retráctil.




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Poços de recolha (chamada)

Colocados em locais da escavação que não interfiram com os trabalhos no seu interior, deverão ter uma profundidade de 0.5 -1.0 m e um diâmetro de 0.6 -1.2 m.




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Principais problemas

- erosão interna (piping);- levantamento / rotura do solo (heaving).

Limitações

- apropriada apenas para situações em que o nível freático nãose encontra muito acima da profundidade da escavação;

- escavações de pequena extensão.




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Em que consiste?

Em retirar a água ao solo, por gravidade ou por diferença de pressão, e bombeá-la para o exterior da escavação.


Através de captações verticais:(i) poços de bombagem(ii) agulhas filtrantes(iii) sistemas de ejecção (iv) electro-osmose

ou de (v) captações horizontais



3.3 Rebaixamento do n3.3 Rebaixamento do níível frevel freááticotico

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Quando se utilizam?- em solos permeáveis;- quando a profundidade a atingir é elevada e o nível freáticose encontra próximo da superfície.

Como se coloca em prática?Executando poços, na periferia da escavação, até à profundidade pretendida, nos quais se insere uma tubagem envolta em filtro adequado. A bombagem é efectuada em contínuo, por uma (i) bomba de sucção colocada na superfície do terreno ou através de uma (ii) bomba submersível colocada no fundo do furo.

NOTA: Se se pretender um maior rebaixamento (ou em solos menos permeáveis), os poços podem ser selados (com bentonite e argila) junto à superfície, criando-se de seguida vácuo no interior do poço.

(i) Po(i) Poçços de bombagemos de bombagem




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Bomba de sucção

Aspectos principais:- dificuldades em atingir profundidades superiores a 5 - 8 m, a não ser que se conceba um sistema por andares;

Bomba submersível

Aspectos principais:- consegue atingir profundidades de 15 - 30 m;- associada a vácuo permite drenar eficazmente solos pouco

permeáveis (poço de grande diâmetro sob vácuo).





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il Poço de grande diâmetro sob vácuo

- perfuração de furo com 30 - 60 cm de diâmetro;

- colocação de tubo com 15 - 20 cm no seu interior;

- preenchimento do espaço intermédiocom areia e areão de granulometria apropriada;

- vedação, com bentonite ou argila, do espaço entre o tubo e o furo (apenas na parte superior do furo).





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Agulhas filtrantes (well-points) Tubos de ferro ou de PVC, com diâmetrosde 3.75 - 5 cm e comprimentos de 3 - 7 m, perfurados na ponta.

Quando se utilizam?

- em solos pouco permeáveis;- em obras pequenas e/ou de curta duração.


Introduzindo-as no terreno, por injecção de água através da sua ponteira, e ligando-as por mangueiras flexíveis a um tubo colector horizontal, e este a um conjunto de bombas de água e vácuo.

(ii) Agulhas filtrantes(ii) Agulhas filtrantes



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(ii) Agulhas filtrantes(ii) Agulhas filtrantes



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Limitações- altura de rebaixamento de 5 - 6 m, passível de ser aumentadaatravés da instalação de vários andares de agulhas filtrantes(afastadas entre si 0.5 a 2.5 m), a profundidades sucessivas,à medida que a escavação avança.



3.3 Rebaixamento do n3.3 Rebaixamento do níível frevel freááticotico(ii) Agulhas filtrantes(ii) Agulhas filtrantes

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Quando se utilizam?- em todo o tipo de solos, incluindo solos finos.

Como se coloca em prática?(i) Bombeando água, pelo tubo de ejecção, da superfície para o fundo do furo, onde (ii) Um estreitamento gradual de secção provoca uma diminuição da pressão; (iii) O vácuo criado suga a água do solo para uma câmara de sucção, juntando-a à água ejectada; (iv) Este caudal passa por um alargamento gradual de secção, aumentando a pressão, o que lhe permite atingir a superfície e ser encaminhado para um ponto de descarga.

(iii) Sistemas de ejec(iii) Sistemas de ejecççãoão



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(iii) Sistemas de ejec(iii) Sistemas de ejecççãoão


3.3 Rebaixamento do n3.3 Rebaixamento do níível frevel freááticoticoEjectoresCompostos por um ou dois tubos, consoante caudal de ejecção circule no espaço anelar por fora do tubo de subida (1 tubo) ou em tubo próprio (2 tubos)

Um tubo Dois tubos

VantagensPermite atingir profundidades de cerca de 25m

LimitaçõesA eficiência de um único ejector é reduzida

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Quando se utiliza?- em solos muito pouco permeáveis.

Como se coloca em prática?- a instalação no solo uma diferença de potencial entre dois pólos(cátodo e ânodo) provoca o deslocamento das partículas de águapara os cátodos, de onde são bombeadas para um local adequado.

Limitações- débitos bastante baixos

(iv) Electro(iv) Electro--osmoseosmose



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Quando se utiliza?- em escavações que se desenvolvem por longos trechos de pequena profundidade;

- NF elevado- quando a permeabilidade horizontal é superior à vertical.

Como se coloca em prática?- utilizando tubos flexíveis perfurados, colocados mecanicamente num meio com solos granulares homogéneos. A drenagem é feita graviticamente (quando existe pendente suficiente) ou através de bombagem (com bombas centrífugas à superfície).

(v) Capta(v) Captaçção horizontalão horizontal



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CaptaCaptaçção horizontalão horizontal



Execução da vala

Colocação do dreno

Drenoexecutado

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il Inconvenientes associados ao processo de bombagem de água:

- assentamento do solo;- atrito negativo nas estacas;- exposição de estacas em madeira a oxigénio- possibilidade de serem afectadas reservas dos aquíferos nas proximidades da obra (redução temporária do fornecimento e qualidade da água nos poços da região);

- erosão do solo devido às descargas da água extraída;- etc..



3.4 M3.4 Méétodos de exclusãotodos de exclusão

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Em que consistem?

Execução de barreiras estanques (verticais ou horizontais) que impedem o acesso da água à escavação (pelo que não chega a verificar-se a sua extracção).


Solução mais desejável

Prolongar estrutura de contenção até se atingir estrato impermeável, abaixo do fundo da escavação, devendo esta penetrar até uma profundidade suficiente para garantir o tamponamento horizontal da escavação.



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Em que consiste?

Na extracção do calor do solo até que a água intersticial congele, formando uma cortina de solo congelado à volta da escavação (que veda a passagem de água para o seu interior).


Fazendo circular salmoura (água salgada) a baixas temperaturas ou azoto líquido pelo interior de tubos duplos, cravados em redor da escavação, em série ou em paralelo.

(i) Congela(i) Congelaçção do soloão do solo




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Tubo exterior (aço)

Fica em contacto com o terreno, por onde se faz a troca de calor;

Tubo interior (plástico)

Para injecção ou retorno do fluido (conforme montagem);





Tubo interior para injecção

Tubo interior para retorno

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Salmoura

- circuito fechado;- espaçamento entre tubosde 1.2 - 1.8 m.

Azoto líquido

- circuito aberto;- diâmetro e espaçamento entre tubos menor;

- mais caro;- mais rápido.


Funcionamento de congelador a salmoura

Funcionamento de congelador a azoto líquido




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Em que consistem?Na materialização de paredes de lama (de bentonite ou cimento-bentonite) em redor de escavações a céu aberto.

Quando se utilizam?- em solos granulares (siltes, areias, gravilhas).

Como se coloca em prática?Bombeando a lama para o interior de trincheiras, com o avançar da escavação.

Equipamento- profundidades até 10 m: retroescavadoras;- profundidades superiores (até 30 m): balde de maxilas(normalmente utilizado para a execução de paredes moldadas).


(ii) Paredes de lamas benton(ii) Paredes de lamas bentonííticasticas



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Em que consistem?

Em painéis metálicos (ou de madeira ou de betão armado) ancorados / escorados, ou não, justapostos verticalmente, de modo a formar uma cortina praticamente estanque.


(iii) Estacas(iii) Estacas--pranchaprancha



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Em que consistem?

Em elementos de betão armado (e = 0.4 a 1.5 m) de grande rigidez perpendicularmente ao seu plano, ancoradas / escoradas, ou não, que funcionam como barreira estanque.

Quando se utilizam?

- quando existem estruturas de grande importância muitosusceptíveis a assentamentos perto da nova construção;

- em terrenos arenosos ou pouco consistentes, com nívelfreático elevado.

- quando se pretende incorporar a parede na estrutura definitiva;- quando se pretende que a parede seja praticamente estanquepor si só;


(iv) Paredes moldadas(iv) Paredes moldadas



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Em que consistem?

Estacas moldadas no solo, executadas de forma a constituírem uma cortinapraticamente estanque à passagem de água (em simultâneo com contenção de terras no tardoz da escavação).

Quando se utilizam?

- quando existem estruturas de médio e grande porte situadas perto da nova construção enterrada (mas não excessivamente sensíveis a deformações);- em túneis, em zonas urbanas.


(v) Cortinas de estacas moldadas(v) Cortinas de estacas moldadas



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Formas de execução


tangentes

secantes


3.4 M3.4 Méétodos de exclusãotodos de exclusão(v) Cortinas de estacas moldadas(v) Cortinas de estacas moldadas

espaçadas

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Em que consiste?

Na construção de barreiras estanques através de jactos, a alta pressão, de argamassa não retráctil, que destroem deliberadamente a estrutura do solo, substituindo-a por uma mistura solo - argamassa, com a forma cilíndrica.

Métodos de execução

a) Mistura local da argamassa directamente no solo;b) Substituição do solo escavado por argamassa misturada com solo.


(vi) (vi) Jet groutingJet grouting



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3.4 M3.4 Méétodos de exclusãotodos de exclusão(vi) (vi) Jet groutingJet grouting

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3.4 M3.4 Méétodos de exclusãotodos de exclusão(vi) (vi) Jet groutingJet grouting

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il Em que consiste?

Injecção de argamassa, a baixa pressão, que vai sendo assimilada pelo solo.

Quando se utiliza?

- colmatação de fissuras e vazios em rochas e elementos estruturais; - criação de membranas relativamente impermeáveis.


(vii) (vii) Injection groutingInjection grouting



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il

Em que consistem?

Na selagem da base da escavação (com argamassa ou betão), de forma a reduzir o afluxo da água a partir de um estrato permeável situado abaixo desta.

Quando se utilizam?

- em escavações profundas;- quando é economicamente inviável prolongar barreirasestanques até se atingir maciço rochoso ou estrato impermeável.


((viiiviii) Cortinas horizontais) Cortinas horizontais



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il

Opções de materialização

- Técnica do betão imerso(i) Escavação, semextracção de água, atéao nível das fundações(ii) Betonagem (atravésde um funil); (iii) Adquirida a resistência, bombagem da água acima da camada de betão.





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- Cortina pouco profunda,através de jactos deargamassa (ou betão,eventualmente armado)ancoragem com micro-estacasou colunas mais profundasfeitas com jactos de argamassa.

- Cortina mais profunda, por injecção de argamassa no solo





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il


- jet grouting





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il 4. AN4. ANÁÁLISE LISE COMPARATIVACOMPARATIVA


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ilRetenção de águas superficiais

Captação directa

4. AN4. ANÁÁLISE COMPARATIVALISE COMPARATIVA


Taludes

- baratosMuros

- dificultam circulaçãode equipamento

- simplesEscavações a céu aberto

TodosValas

DesvantagensVantagensUsosSolos possíveis

Método

- só se aplica a casos emque NF não se encontramuito acima daprofundidade daescavação

- levantamento/rotura dosolo (heaving)

- exige menorcapacidade debombagem

- erosão interna (piping)- simples e baratoEscavações a céu aberto e superficiais

Areias e seixos

Bombagem

DesvantagensVantagensUsosSolos possíveis

Método

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ilRebaixamento do nível freático



Método Solos possíveis Usos Vantagens Desvantagens

-Sem ruídoAgulhas filtrantes -Instalação fácil e rápida

-Ruído-Limite de sucção: 5-6m

Todos

Electro-osmose

-Pequeno rendimento

-Rápida colocação

-NF elevado

-Ruído de bombagem por sucção

-Custo de instalação elevado

Captação horizontal -Seixos a areias finas

Poço de bombagem -Seixos a areias finas

-Solos muito permeáveis

Poço de bombagem com bomba submersível

Seixos a areias finas

-Solos em que a filtragem correcta é importante

-Custo de instalação elevado

-Bombagens prolongadas

-Custos de funcionamento aceitáveis

-Fácil controlo do arrastamento dos finos no solo

-Custo de instalação baixo

Escavações profundas

-Sem limite de rebaixamento

-Possibilita a aplicação de vácuo

-Difícil instalação em solos rochosos

Sistemas de ejecção Escavações profundas

-Sem limite de rebaixamento

Seixos a areias siltosas

-Escavações a céu aberto

-Bombagens para curto espaço de tempo

-Escavações a céu aberto

-Único método possível em solos mais impermeáveis

-Custos de instalação e operação elevados

-Consolidação de solos argilosos

-Limite com bomba de sucção: 4-5m

-Solos muito pouco permeáveis

-Menor caudal para o mesmo rebaixamento

-Pequena profundidade de escavação

-Solos estratificados

-Escavações com desenvolvimento em planta

-Custo de instalação baixo

-Implica o conhecimento das camadas de solo a drenar

-Siltes, argilas e certas turfas

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ilMétodos de exclusão - Temporários



- possibilidade da protecçãonão ser estanque

- caro (caso não hajaaproveitamento das estacas)

- instalação rápida

- ruído e vibrações durante ainstalação

- método bem estudadoSem restriçãoTodos (sem obstruções àintrodução das estacas)

Estacas-prancha

- pode ser introduzida emcamada impermeável

- custo aumenta comprofundidade e resistênciado solo

- solução tipo paredemoldada, mas mais barata

- precisa de suporteadequado

- instalação rápidaSem restriçãoSolos granulares (seixos, areias ou gravilhas)

Paredes de lamas bentoníticas

- requer controlo estrito

- custos de instalação e dacentral de refrigeraçãoelevados

- efectivo para dentro da faceda escavação

- necessário tempo pararefrigeração

- confere resistência mecânicaao solo

Sem restriçãoTodos ou rocha, de preferência saturados

Congelação do solo

DesvantagensVantagensUsosSolos possíveisMétodo

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ilMétodos de exclusão - Permanentes



- podem funcionar comofundações(ensoleiramento geral)

- caras- podem ser incorporadasna estrutura

Piso térreo de caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosCortinas horizontais

- fácil controlo dedimensões e uso dematerial

-Rochas fissuradas

- requer uma barreirarelativamente espessapara assegurar acontinuidade

- equipamento simples,com possibilidade de usoem espaços confinados

Preenchimento de fissuras e vazios, para formar barreiras à água

-Areias e gravilhasInjection grouting



-Rochas fracas

- caro- instalação rápidaSem restrição-TodosJet grouting

- podem ser colocadasmuito perto de fundaçõesjá existentes

- dificuldade em garantirestanqueidade em todo odesenvolvimento

- baixo ruído e vibraçãoCaves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosCortinas de estacas

- equipamentorelativamente pesado


- baixo ruído e vibração

- custo muito elevado (senão forem incorporadasna estrutura)

- podem ser incorporadasna estrutura

Caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosParedes moldadas


- podem funcionar comofundações(ensoleiramento geral)

- caras- podem ser incorporadasna estrutura

Piso térreo de caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosCortinas horizontais

- fácil controlo dedimensões e uso dematerial

-Rochas fissuradas

- requer uma barreirarelativamente espessapara assegurar acontinuidade

- equipamento simples,com possibilidade de usoem espaços confinados

Preenchimento de fissuras e vazios, para formar barreiras à água

-Areias e gravilhasInjection grouting



-Rochas fracas

- caro- instalação rápidaSem restrição-TodosJet grouting


- dificuldade em garantirestanqueidade em todo odesenvolvimento

- baixo ruído e vibraçãoCaves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosCortinas de estacas

- equipamentorelativamente pesado


- baixo ruído e vibração

- custo muito elevado (senão forem incorporadasna estrutura)

- podem ser incorporadasna estrutura

Caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas

TodosParedes moldadas


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il 5. REFERÊNCIAS5. REFERÊNCIAS


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il

- BRITO, Jorge de, “Drenagem de Escavações”, InstitutoSuperior Técnico, 1999

- COELHO, Silvério, “Tecnologia de Fundações”, EdiçõesE.P.G.E., 1ª Edição, 1996

- XANTHAKOS, Petros P., ABRAMSON, Lee W., BRUCE,Donald A., “Ground Control and Improvement”, John Wiley &Sons, Inc., 1994

- ”Foundations Engineering Handbook”, Editado por FANG,Hsai-Yang, Van Nostrand Reinhold, 2ª Edição, 1991

5. REFERÊNCIAS5. REFERÊNCIAS


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Trabalho realizado com o apoio do Programa Operacional Sociedade da Informação - POSI


13 drenagem de escavações - 17ª aula teórica - cor

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