15º congresso brasileiro de geologia de engenharia e...

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

APLICAÇÃO DA GEOMÁTICA PARA DEFINIÇÃO DE MODELOS GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO

TRIDIMENSIONAL

Alexandre Cerqueira de Jesus 1; Talita Caroline Miranda

2; Cleber Decarli

3

Resumo – O presente trabalho apresenta uma aplicação da utilização do SIG, através de uma base cartográfica e um conjunto de dados georeferenciados (sondagens; ensaios de caracterização geotécnica), utilizando-se da ferramenta de geomática para interpretação dos dados tendo por objetivo a definição de um modelo geotécnico tridimensional para o auxílio no acompanhamento de uma obra de escavação subterrânea realizada na Cidade de Salvador-Ba.

Abstract – This work presents the use of a GIS to obtain a three-dimensional geotechnical geological model for technical monitoring of an underground excavation carried out in the city of Salvador. This model was obtained by a cartographic database and a set of geospatial data (geotechnical surveys and characterization tests) and using three-dimensional modeler software to data interpretation. In addition the paper presents the results of laboratory tests on soil and rock performed. .

Palavras-Chave – Geoestatistica; solos residuais em granulito gnaisse ;Túneis .

1 Eng., MSc, Instituto Tocantinense presidente Antonio Carlos - ITPACPORTO, (63) 3363-9600, [email protected]

2 Eng., DSc, Instituto Tocantinense presidente Antonio Carlos - ITPACPORTO, (63) 3363-9600, [email protected]

3

Eng.,MSc Instituto Tocantinense presidente Antonio Carlos - ITPACPORTO, [email protected]


1. INTRODUÇÃO

A utilização de geotecnologias para o desenvolvimento e apoio de obras de infraestrutura está cada vez mais presente na rotina dos projetistas, engenheiros e gestores de obras de grande porte. Dentre as tecnologias empregadas sem dúvida os relacionados a Sistemas de Informações Geográficas (SIG), ou Sistemas de Informações Geo-referenciadas, ou ainda Sistemas de Informações Geoespaciais, que representam um conjunto de sistemas que realizam o tratamento computacional de dados geográficos e que permitem o acesso a informações alfanuméricas e de localização espacial, tem sido a mais empregada.

Num SIG, os dados espaciais tanto no formato matricial quanto no formato vetorial, são armazenados na forma de camadas ou layers, denominados planos de informações. Estes contêm todos os dados referentes a um determinado tema, ou seja, retratam separadamente um aspecto particular da realidade.

As incertezas geológicas exigem constantes adaptações e alterações no projeto ou anteprojeto de uma obra subterrânea. O Acompanhamento Técnico da Obra (ATO) é decisivo para garantir a qualidade, a segurança, o prazo de execução e, consequentemente, o custo. A fim de se determinar soluções técnicas apropriadas de execução da escavação, o ATO deve reunir todos os envolvidos na obra tais como projetista, consultores, empreiteira e o proprietário, de forma a oferecer respostas às solicitações impostas pelos condicionantes geológico/geotécnicos do maciço no entorno da escavação subterrânea.(Miranda et al, 2013).

O presente trabalho apresenta uma aplicação da utilização do SIG, através de uma base cartográfica e um conjunto de dados georeferenciados (sondagens; ensaios de caracterização geotécnica), utilizando-se da ferramenta de geomática para interpretação dos dados tendo por objetivo a definição de um modelo geotécnico tridimensional para o auxílio no desenvolvimento de uma obra de escavação subterrânea.

1.1. Área de Estudo

Um túnel rodoviário de duzentos metros de extensão foi escavado na Cidade de Salvador Bahia. A área onde foi implantado o Túnel Dois Leões destaca-se por ser uma região densamente povoada com a presença de edificações antigas, algumas com mais de 200 anos de construção, tombadas pelo patrimônio público (IPAC) e, em geral, em péssimo estado de conservação. Também são encontradas nesta região edificações de pequeno e médio porte, na maioria subnormais em função dessa região ser povoada por pessoas de baixo poder aquisitivo. A Figura 1 apresenta a localização espacial do túnel em relação ao ambiente urbano e a uma foto representativa das edificações existentes que caracterizam o meio urbano.

a) Edificação típica da região de implantação – Ladeira da

Soledade

b)Modelo digital do terreno com implantação do túnel

Figura 1 – Caracterização da área de implantação do Túnel dois leões.


1.2. Caracterização geológica

O Túnel Dois Leões encontra-se localizado a sudoeste da Falha de Salvador, dentro do domínio geomorfológico denominado Alto de Salvador, que compreende as rochas cristalinas, metamórficas de alto grau, que separam a Bacia Sedimentar do Recôncavo do Oceano Atlântico.

Esse conjunto de rochas antigas do período pré-cambriano sofreu alto grau de metamorfismo e apresenta geralmente fácies granulíticas, ora ácidas ora básicas, com orientação NO-SE. Em alguns casos apresentam-se intrusões de diábases e veios de rochas pegmatito, formando diques (Magalhães, 1990).

O complexo estratigráfico dessa formação é composto por um manto de solo residual com suas gradações de gênese residual e espessuras variadas, a depender da localização geográfica. O solo residual tem por característica apresentar em sua maior composição a presença de partículas fina de silte-argila. Abaixo dessa camada segue-se a presença da rocha alterada e pôr fim a rocha sã.

Importante diagnosticar que devido ao processo de ocupação antrópica sofrida pelas regiões de escarpa e encostas da cidade de Salvador, é comum a existência acima do manto de solo residual de uma camada de material de aterro errático, bastante heterogêneo, proveniente do trabalho de terraplanagem para a construção de moradias. Esses aterros não apresentam qualquer controle tecnológico com valores de resistência a penetração (NSPT) inferiores a 5 golpes.

O túnel interfere com o complexo estratigráfico intermediário (solo residual jovem/rocha alterada) e o inferior (rocha sã), conforme pode ser verificado dos perfis geológico-geotécnicos. A Figura apresenta uma síntese do mapa geológico de Salvador, destacando a localização do Túnel Dois Leões. (mapa sem escalas a título somente de ilustração do material rochoso encontrado e da localização do entorno do túnel estudado)

Figura 2 -. Mapa e perfil geológico da Região Sudoeste de Salvador (Modificado do Plano Diretor, 2004).


2. MATERIAIS E MÉTODOS

Esta pesquisa propõe o uso de técnicas de análise espacial do dado para auxiliar na interpretação dos dados de investigação geotécnica, cujas informações são de natureza pontual. O objetivo é avaliar a variação espacial dos dados através do método de geoestatistica.

A metodologia proposta pela geoestatística difere da estatística clássica, basicamente, na forma de avaliar a variação dos dados. A estatística clássica pressupõe não haver relação entre a variação e a distância entre pontos de amostragem, isto é, as variações são aleatórias no espaço. Ao contrário, a geoestatística considera existir uma dependência da variação com o espaço de amostragem e que, em parte, essas variações são sistemáticas.

O emprego da geoestatística, com o objetivo de identificar e avaliar a estrutura espacial das variáveis introduz uma nova e importante dimensão para a análise da interação entre propriedades de solos e rochas. A variabilidade espacial das variáveis, tais como propriedades mecânicas dos solos e rochas, recalque, deslocamentos laterais e outros, pode ser estudada por meio das ferramentas da geoestatística. Isto deve ao fato da teoria se fundamentar na teoria das variáveis regionalizadas, segundo a qual os valores de uma variável estão relacionados à sua disposição espacial e, portanto, as observações tomadas a curta distância se assemelham mais do que aquelas tomadas a distâncias maiores (Vieira et al., 1981).

Para o presente trabalho foi realizado o modelagem geoestatística para determinação das espessuras de solo baseado na classificação morfogenética proposta por Vaz (1996). A modelagem foi realizada utilizando-se as informações das perfilagens (sondagens) realizadas na área de estudo. Utilizou-se da técnica de Krigagem ordinária para a definição das isoespessuras das camadas.

Para a caracterização geológico-geotécnica da região de implantação do Túnel Dois Leões, foram utilizados os resultados da campanha de sondagens rotativas e ensaios com amostras indeformadas retiradas para definição dos parâmetros de resistência das camadas de solo.

A Figura 3 apresenta a localização das sondagens mistas realizadas e os poços para retirada das amostras. Foi realizada uma sondagem inclinada (15º) com o intuito de verificar a ocorrência de fraturas verticais no maciço e definição do ângulo de mergulho dos horizontes.

Figura 3. Localização das sondagens e poços para coleta de amostra indeformada


3. RESULTADOS OBTIDOS

A partir dos dados de perfilagem das sondagens mistas (SPT e rotativa) e da base cartográfica (topografia), aplicando-se ferramentas de geoestatística no software Rockworks versão Demo, foi construído um modelo geológico-geotécnico da região do túnel. O modelo tridimensional é desenvolvido a partir de um algoritmo de interpolação das sondagens SPT, representado nas Figuras 4 e 5.

Figura 4 - Modelo tridimensional geológico-geotécnico.

Figura 5 Modelo Digital do Terreno (MDT) e sondagens sobre a projeção do túnel

Diante destes primeiros resultados obtidos através da análise geoestatistica foram realizadas novas investigações com intuito de detalhar as características geomecânicas de cada horizonte, na região de interseção do túnel com o maciço.


Foram executados poços para a retida de amostras indeformadas para a de realização de ensaios de caracterização física e mecânica das camadas de solo bem como amostras de rochas (alteradas e Sã) , através de sondagens rotativas, com intuito de caracterizar o maciço rochoso. (Figura 6)

(a)Amostra de solos

(b) Ensaio de Compressão simples e diametral

Figura 6 – Amostras Indeformadas ensaiadas em laboratório.

À Figura 7 mostra a distribuição média dos valores de (índice de vazios, peso específico, coesão e ângulo de atrito) por profundidade. Pode-se verificar que pelos ensaios de caracterização mostram maior parcela da fração fina em relação à menor parcela da fração grossa, classificando o solo como um silte de alta plasticidade ou argila de baixa plasticidade.

Também foi possível verificar que o perfil de solo intemperizado se aprofunda, aumenta a quantidade de areia em sua textura. Observou-se que a tendência do índice de vazios é aumentar com a profundidade, bem como a coesão do solo. Entretanto, o ângulo de atrito não mostrou grandes alterações com a profundidade (Figura 7).

Indice de Vazios

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,8 1,2 1,6 2

Pro

fun

did

ad

e (

m)

a) distribuição do índice de vazios

com profundidade

Peso Especifico Seco

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 12 14 16

kN/m3

Pro

fun

did

ad

e (

m)

b)

distribuição do peso específico

com profundidade

Coesão

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5 15 25 35 45

kN/m2

Pro

fun

did

ad

e (

m)

c) distribuição da Coesão com

profundidade

Ângulo de Atrito

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5 15 25 35 45

Graus

Pro

fun

did

ad

e (

m)

d) distribuição do ângulo de atrito

com profundidade

Figura 7. Perfil da caracterização geotécnica.

A Figura 8 apresenta alguns resultados de ensaio triaxial, compressão simples e compressão diametral realizado nas amostras indeformadas de solo e rocha.


0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30

Deformação (%)

Te

ns

ão

De

sv

iató

ria

(k

Pa

)

Sigma 3 = 50 Kpa

Sigma 3 = 100 Kpa

Sigma 3 = 150 Kpa

s3= 50 kPa

s3= 100 kPa

s3= 150 kPa

(a) Curva tensão deformação para solos residuais (Triaxial)

Ensaio Compressão Simples CA5

5,61

9,26

12,02

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10

Deformação (%)

sa

xia

l (

MP

a)

Def Axial CA5

Def Lateral CA5

Def Volumetrica CA5

(b) Curva tensão deformação para ensaio de compressão

simples em rocha sã e alterada

Tensão Principal

0

2

4

6

8

10

12

-0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3

Tensão Principal Menor (MPa)

Ten

são

Pri

ncip

al

Maio

r (M

Pa)

(c) –Envoltória de Tensão (Rocklab)

Ensaios Tração CT - Tensão

6,17

6,096,60

6,896,69

0

5

10

15

20

25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformação (mm)

st,

b (

MP

a)

CT1A

CT2A

CT3A

CT4A

CT5A

(d) Ensaios de compressão diametral em rochas sã e alterada

Figura 8 - Resultados de Ensaios realizados em laboratório.

Através da estatística da ordem e baseado na população amostral de ensaios realizados em solos e rocha podem-se obter Os seguintes resultados em termos de carcteristica geotécnica para os horizontes de intemperismo:

Tabela 1 – Valores médios e desvio padrão dos parâmetros geotécnicos para o domínio geológico do granulito gnaisse

Parâmetro

Solo Residual

Granulito Gnaisse Granulito Gnaisse

Maduro Jovem Rocha Alterada Mole

Rocha Alterada Dura

Espessura do Horizonte (m)

14,2 ± 6,6 8,5 ± 4,50

N-SPT 14,5±10,9 27 ± 18,9

Finos (%) 58,5±13,6 49,7 ± 11,7

Índice de Vazios 1,19 ± 0,45 1,10 ± 0,17

Peso

Especifico (kN/m³)

16,28 ± 1,30 16,27 ± 1,06 12,8 ± 0,80 18,9 ± 0,25

Coesão (kPa) 15,25 ± 11,8 21,4±11,3 62,05 ± 32,9(x10³) 96,5 ± 29,5(x10³)

Ângulo de Atrito (º) 25,9 ± 9,5 29,9±5,2 27,5 ± 9,5 34,0 ± 12,0

Módulo de Elasticidade (GPa)

7,28 ± 2,58 14,82 ± 5,60


4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Da interpretação estrutural/estatigráfica apresentada nas Figuras 4 e 5 foi possível definir os seguintes pontos:

A primeira camada estratigráfica é composta por um aterro com espessura média de 3 a 5 m. Essa camada de aterro apresenta valores de NSPT inferiores a cinco e tem textura areno-argilosa. É possível observar também a presença de restos de material de construção e matéria orgânica no primeiro metro da camada;

Abaixo dessa camada inicia-se o manto de solo residual composto por material de textura silte-argilosa com NSPT crescente com a profundidade, atingindo valores de até 18 golpes. À medida que o perfil se aprofunda, a matriz do solo apresenta-se mais arenosa;

A rocha cuja litologia foi definida como um gnaisse de cor cinza apresentou grau de fraturamento elevado nos primeiros metros de perfuração com orientações das descontinuidades semi verticais e RQD variando de 50 a 100 %;

A partir dos boletins de sondagens realizadas na área, não é possível determinar se há e em que cota está o nível de água da região.

Para o perfil transversal ao túnel, verificou-se um que o horizonte de solo apresenta camadas sub horizontais, sendo que somente a interface entre a camada de rocha alterada e sã possui uma inclinação de 5 graus de leste para oeste.

5. CONCLUSÃO

Utilizando-se da modelagem geoestatística realizada através dos resultados dos furos de sondagens e tomando como base a proposta de Vaz (1996) para a classificação de perfis de solo residuais, foi possível delinear as superficiais de contato de cada horizonte de alteração em toda área de influência da escavação do túnel.

Dessa maneira foi possível gerar modelos geotécnicos tridimensionais, importantes para servir de imput nas simulações numéricas que servirão para verificação da estabilidade das escavações subterrâneas de maneira a obter resultados mais realista, tendo em vista de tratar-se de um problema geotécnico tridimensional.

Importante que a confiabilidade dos dados de sondagens realizadas e a verificação do índice de dependência espacial, cujo valor deverá ser inferior a trinta por cento para que as análises de geoestatisticas conduzam a um modelo geotécnico mais realista.

A definição de um modelo espacial das camadas do perfil de intemperismo aliado com a interseção do modelo tridimensional do túnel possibilita um maior refinamento na realização de ensaios laboratoriais nas camadas que interceptam o túnel, otimizando o tempo e custo para realização de ensaios.

Fato que tais resultados são próprios do ambiente geológico do granulito gnaisse e particularmente da região próxima a falha geológica de Salvador.

Por fim é importante que a medida que se realize o avanço do túnel e se realize o mapeamento geológico geotécnico, tais informações sejam imputadas no modelo geotécnico afim de realizar uma calibração no modelo.


REFERÊNCIAS

MAGALHÃES, J., 1990. Escorregamento de base em um talude de solo residual de rocha metamórfica granilitica. Porto Alegre/RS: Dissertação (mestrado), Pontifícia Universidade Católica de Porto Alegre.

MIRANDA,T.C; MAHLER,C.F S NUNES,A.L.L, 2014. A Decision Support System on Web Platform

for Monitoring Technician Underground Excavation. N 131 ed: Revista Geotecnia,n 131.

VAZ;L.F ,1996 Classificação genética dos solos e horizontes de rochas em regiões tropicais N 19

IN: Solos e Rochas.

VIEIRA, S. R., NIELSEN, D. R. & BIGGAR, J. W., 1981. Spatial variability of Field mensured

infiltration rate. N 6 ed. .:Soil Science Society of America Journal.

15º congresso brasileiro de geologia de engenharia e...

Documents