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15/03/2017

CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E

REJEITOS

PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira XXXX, XX de Dezembro de 2017

Investigação geotécnica de fundação de barragens e áreas de empréstimo

Investigações geológico - geotécnicas

Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira

As investigações geológico-geotécnicas para a construção de uma

barragem são realizadas em diversas etapas, acompanhando a evolução

gradativa do projeto:

• Investigações iniciais, com base em observações de superfície,

apoiadas em plantas topográficas, mapas geológicos e fotografias

aéreas da região.

Conforme há definição dos eixos, dos tipos de estruturas e arranjos, as

investigações se tornam mais detalhadas, com intuito de:

• Investigação da fundação no local (feições geológicas e geotécnicas,

resistência, permeabilidade e compressibilidade);

• E estimativa de volume de material de construção para determinar as

áreas de empréstimo.

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Investigações geotécnicas


Segundo Schnaid (2012), o ambiente físico, descrito a partir das

condições do subsolo, constitui-se em pré-requisito para projetos

geotécnicos seguros e econômicos.

No Brasil, o custo envolvido na execução de sondagens de

reconhecimento normalmente varia entre 0,2% e 0,5% do custo total

de obras convencionais, podendo ser mais elevado em obras

especiais ou em condições adversas de subsolo.

As informações geotécnicas assim obtidas são indispensáveis à

previsão dos custos fixos associados ao projeto e sua solução.

Investigação da fundação da barragem


Para diligenciar de forma coerente o solo que será utilizado para

fundação devem ser avaliados 3 propriedades, que são relativas à

resistência, permeabilidade e compressibilidade. Desta forma

utilizam-se as seguintes avaliações:

• Investigação de superfície;

• Sondagem a Percussão;

• Poços e trincheiras de inspeção;

• Ensaios de laboratório;

• Sondagens rotativas;

• Sondagens sísmicas;

• Ensaios de injetabilidade.

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Investigação de superfície


Litologia de toda a região;

Profundidade de recobrimento;

Profundidade de intemperismo;

Mergulho, direção, espessura, composição e extensão de juntas e

cisalhamentos;

Orientação e continuidade de juntas.

Investigação de superfície


Uso de resultados de ensaios já realizados em materiais de fundaçãosimilares podem ser utilizados para estimativas das propriedades físicasda rocha de fundação, inclusive de materiais de falhas.

Mapas topográficos, geológicos e fotografias aéreas disponíveis da áreadevem ser utilizados, juntamente com as observações de afloramentosnaturais, cortes de estradas, pedreiras, poços, etc.

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Sondagem à percussão


São utilizadas para a investigação das camadas que são penetráveis pela

ferramenta de percussão;

Geralmente, de metro em metro, são colhidas amostras deformadas, para a

realização de ensaios de caracterização em laboratório e determinados os

índices de resistência à penetração, SPT;

Útil para caracterizar o terreno de fundação e avaliar a sua resistência e

deformabilidade;

Nos furos de sondagens são ainda realizados ensaios de infiltração de água,

para avaliação da permeabilidade do maciço;

Regido pela NBR 6484:2001 - Solo - Sondagens de Simples Reconhecimentos

com SPT - Método de ensaio → Brasil;

É Habitual na América do Sul o uso da normalização norte-americana ASTM

D1586/1967.



Sondagem á percussão - SPT Sondagem á percussão à Trado – SPT-T

Sondagem á percussão mecanizada

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Compacidade e consistência x SPT (NBR 6484/2001)

Poços e trincheiras de inspeção


Regida pela NBR 9604:2016 - Abertura de poço e trincheira de inspeção

em solo, com retirada de amostras deformadas e indeformadas –

Procedimento;

Permite retirada de amostras deformadas, amostras indeformadas e

inspeção visual e tátil do subsolo;

Acima do lençol freático, geralmente, os poços podem ser abertos

sem quaisquer escoramentos. Abaixo dele, a sua continuidade requer

a colocação de escoras e de sistema para o seu rebaixamento;

Com auxílio de uma ferramenta, tais como, uma chave de fenda ou de

um canivete, um engenheiro experiente consegue inferir informações

importantes, para avaliar a resistência e a compressibilidade da

fundação;

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Poços e trincheiras de inspeção


Estas informações fornecem subsídios para o projeto de escavação

das fundações, às vezes mais importantes que os resultados dos

ensaios de laboratório realizados com amostras indeformadas;

Quando se deseja inspecionar camadas do subsolo em maior

extensão, principalmente nas ombreiras, programa-se a abertura de

trincheiras, examinando-se, em continuidade, as suas paredes e o seu

fundo.

Ensaios de Laboratório


As amostras indeformadas extraídas dos poços são inicialmente

submetidas a ensaios de caracterização, tais como:

• Limites de liquidez;

• Limite de plasticidade;

• Grranulometria;

• Massa específica dos grãos;

• Compactação Proctor normal.

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Ensaios de Laboratório – Caracterização (Deformada)


Limites de Liquidez Limites de Plasticidade Massa Específica dos grãos

Granulometria (Grossos) Granulometria (Finos) Compactação Proctor

Ensaios de Laboratório


Para a determinação das envoltórias de resistência ao

cisalhamento:

• Ensaios de compressão triaxial: Adensado e Não-Drenado (CU),

Adensado e Drenado (CD) e Não-Adensado e Não-Drenado (UU);

Quando há indícios de descontinuidades, constituindo planos de

menor resistência, indicando que já ocorreram deslocamentos nas

camadas do subsolo, a ponto de ultrapassar a resistência de pico, é

importante determinar-se a resistência residual ao longo desses planos.

Logo usa-se:

• Ensaios de cisalhamento direto;

• Ensaio de cisalhamento torsional.

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Ensaios de Laboratório – Resistência (Indeformada)


Vane Test ( palheta) - Laboratório

Prensa de cisalhamento torcional Prensa de cisalhamento Direto

Prensa Triaxial

Sondagem Rotativa


Ao atingir níveis de impenetráveis à percussão, se continua a investigação

da fundação por meio de sondagens rotativas;

Estas sondagens, que utilizam na perfuração coroas com diamantes,

conseguem extrair amostras cilíndricas de rocha, que são denominadas

testemunhos;

Para facilitar o seu exame e classificação, os testemunhos são alojados em

caixas de um metro de comprimento, onde são anotadas as suas

profundidades e fotografadas.

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Sondagem Rotativa


Dos testemunhos são retiradas as seguintes informações básicas para o

projeto da barragem:

• Classificação geológica da rocha;

• Grau de alteração;

• Porcentagem de recuperação do testemunho;

• Número de fraturas por metro;

• RQD ("rock quality designation“) =∑

x 100 (%).

Sondagem Rotativa


Grau de alteração ( DNER – PRO 102/97)

RQD (DNER – PRO 102/97) Grau de Fratura (DNER – PRO 102/97)

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Sondagem Rotativa


Grau de resistência (DNER – PRO 102/97)

Classificação das descontinuidades (DNER – PRO 102/97)

Inclinação das descontinuidades

(DNER – PRO 102/97)

Sondagem Rotativa – Ensaio de perda de água


Este ensaio tem por objetivo a determinação da perda de pressão provocada

pelo atrito da água com as paredes da tubulação.

A medida em que a sondagem avança, são realizados ensaios de perda d'água,

para avaliação da permeabilidade média de trechos da fundação, geralmente de 3

em 3 metros.

Estes ensaios são realizados, isolando-se os trechos por meio de obturadores e

injetando-se água sob pressão controlada, medindo-se a vazão, após a sua

estabilização.

Geralmente são utilizados três estágios

ascendentes de pressão e outros dois

descendentes, compatíveis com os níveis de

pressão hidráulica que o reservatório irá

exercer sobre a fundação, nas profundidades

em que está sendo investigada.

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Ensaio Sísmico


Sondagens sísmicas de refração podem ser realizadas medindo-se asvelocidades de propagação de ondas elásticas, provocadas por umadetonação na superfície ou em uma perfuração, para obter-seinformações sobre diferentes horizontes de solo e de rocha em umaseção da fundação;

Os resultados destas medidas, devidamente interpretados e apoiadosnos dados obtidos de alguns perfis de sondagens realizadas nessaseção, podem revelar:

• Existência de certas descontinuidades, que somente seriamdeterminadas com a realização de um grande número de sondagensdiretas.

• Pode auxiliar na programação das investigações, podendo-se ter ummelhor conhecimento do maciço de fundação da barragem, commenores custos e prazos.

Sondagem Sísmica de Refração


Este método consiste na realização de perfis longitudinais com recurso ageofones;

Estes devem estar espaçados de uma distância regular e conhecida;

É necessário realizar um disparo inicial através de um martelo de 8Kg, estedisparo vai dar origem a ondas sísmicas que vão ser registadas por umsismógrafo;

A distância longitudinal do perfil deve situar-se entre os 25m e os 100m, e adistância entre os geofones não deve exceder os 5m, para garantir umadeterminada precisão.

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Sondagem Sísmica de Refração


Tempo de chegada das ondas sísmicas emvários geofones

Onde:

Z – profundidade da camada;t1 – Tempo de chegada da 1ª onda;V1 e V2 – Velocidade de propagação da onda no meio1 e 2 respetivamente;

Resistividade elétrica


Medições elétricas de vários tipos são feitas na superfície terrestre com a finalidade de se investigar as condições de subsuperfície de certa área. Uma corrente elétrica artificial é introduzida no terreno, resultando em uma diferença de potencial que é medida na superfície. As anomalias ou não homogeneidades do solo desviam a corrente e distorcem os potenciais.

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Ensaio de injetabilidade


Necessário para diminuir a permeabilidade de um maciço rochosoatravés de injeções de cimento ou de outros preparados químicos, comosilicatos, resinas, etc;

Deve-se elaborar um programa de injeção de cimento é necessárioconhecer inicialmente o grau de injetabilidade da rocha e a redução dapermeabilidade que se pode conseguir.

Inicialmente é injetada uma linha de furos, com espaçamento da ordemde 10 metros e, posteriormente, em outras linhas paralelas, reduzindo-segradativamente pela metade as distâncias entre furos, à medida que osfuros intermediários vão fornecendo informações sobre a eficiência dasinjeções praticadas nos furos anteriores;

As injeções são processadas com diferentes valores de pressão e derelação água/ cimento, observando-se as quantidades de cimentoinjetado e as reduções do coeficiente de permeabilidade.

Ensaio de injetabilidade


Faixas de pressões adotadas;

• Estados unidos (EUA) - 25 Kpa / m (profundidade);

• Brasil - 50 Kpa / m (profundidade);

• França - 100 Kpa / m (profundidade);

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Investigação de materiais de construção


As áreas de empréstimo que poderão fornecer materiais terrosospara a construção dos aterros da barragem deverão ser investigadas,também com o objetivo de se determinar os parâmetros deresistência, permeabilidade e compressibilidade, necessários àsanalises do projeto;

Nas investigações faz-se também uma avaliação dos volumesdisponíveis dos materiais, em função de sua distância de transporteaté os locais de lançamento;

Custo de transporte → a maior parcela do custo total do aterrocompactado (Momento de Transporte);

Às vezes, dá-se preferência à exploração de materiais de qualidadeinferior, por estarem estes localizados nas vizinhanças da barragem, emrelação a outros de melhor qualidade.

Investigação de materiais de construção


Como os materiais irão sofrer uma série de transformações físicas, antesde constituírem os aterros compactados (escavação, transporte,lançamento, tratamentos e compactação), não há interesse em sedeterminar as suas propriedades nas condições em que eles seencontram nas áreas de empréstimo (com exceção da umidade natural,para se verificar a necessidade de tratamentos, de irrigação ou desecagem, antes da compactação) → Desnecessária a extração deamostras indeformadas;

As amostras deverão ser preparadas, através de técnicas de laboratório,de forma a apresentarem condições semelhantes às do aterrocompactado.

Amostra deformada (Área de empréstimo)

Transformações físicasMaterial componente da barragem (Aterro)

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Técnicas de Investigação – Sondagem à Trado


São realizadas por meio de trado espiral, geralmente de 10 cm dediâmetro, segundo malhas de furos espaçados a cada 200 a 400 metros;

Coleta de amostras a cada metro de profundidade;

A profundidade de exploração geralmente fica limitada pela ocorrência delençol freático ou de material impenetrável ao trado.

Amostras – Avaliações (Sondagem à Trado)


As amostras, colhidas conforme descrito acima, são submetidas aos

seguintes ensaios de laboratório:

• Umidade natural;

• Limite de liquidez;

• Limite de plasticidade;

• Granulometria;

• Massa específica dos grãos;

• Compactação Proctor Normal.

*Observação: Compactação Proctor Normal→ Comportamento Plástico• Grau de compactação (GC): 95 e 98%, correspondentes aos valores mínimos e médios desejados para o

maciço da barragem. • Desvio de umidade (w - wot): -2 , 0 e +2%, representando a faixa desejada de variação de umidade do aterro.

(Menor rigidez)Admite mais recalques e

deformações com a variação do tempo e do carregamento

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Ensaio de Compactação - Análises


Influência da energia de compactação

Valores típicos de solos brasileiros

Estrutura dos solos compactados

Materiais Granulares (Areias e Pedras Britadas)


Quanto a utilidade:

• Elementos Filtrantes ( Filtro Chaminé, tapete drenante e drenos franceses);

• Transição das barragens ( Material intermediário ao núcleo e os espaldares).

Quanto a sua origem:

• Naturais (Areias e os cascalhos, obtidos geralmente na própria calha do rio que será represado) ;

*Ensaios: Granulometria; Massa específica dos grãos; Densidade máxima e mínima; Determinação de impurezas e Permeabilidade.

• Artificiais (Pedras britadas);

*Ensaios: Granulometria; Massa específica dos grãos; Densidade máxima e mínima e Permeabilidade

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Material de enrocamento (Desmonte de rocha)


Quanto a utilidade:

• Construção de enrocamentos ( Rip-Rap e Material de corpo da barragem);

• Confecção de concreto estrutural.

Quanto a sua origem:

• Escavações das fundações da estrutura de concreto ou de túneis

• Pedreiras (Localizadas com auxílio de levantamento geológico).

Quanto aos ensaios:

• Desagregadabilidade;

• Análise Petrográfica;

• Britagem.

Ensaios de material de enrocamento


Desagregabilidade

• Ensaios de ciclagem natural;

• Exposição de amostras às condições intempéricas (ação de sol e chuva), por um tempoprolongado, inspecionando-as periodicamente, para avaliação visual e por meio defotografias, das alterações sofridas com o passar do tempo;

• Ensaios de ciclagem acelerada, mergulhando-se as amostras em soluções, tais como,sulfatos, etileno- glicol, etc, alternadamente, com secagem em estufa, seguida deescovação.

Análise Petrográfica

• Minerais constituintes e porcentagens dos mesmos; textura e estruturas; grau dealteração dos minerais; presença de argilo-minerais bem como de outrascaracterísticas especiais.

Britagem

• Dimensões e a forma das partículas, resultantes após a britagem, devido à ocorrência de certas descontinuidades, tais como, fissuramento excessivo ou pela presença de minerais → Determinação de planos preferenciais de quebra da rocha.

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Aterros experimentais


Quando o volume da barragem é muito grande e têm-se dúvidas com relação aocomportamento dos materiais, durante a compactação, pode-se programar aexecução de aterros experimentais, com material terroso ou com enrocamento, em umaárea escolhida dentro do próprio maciço da barragem;

Os aterros experimentais também podem ser executados, com o objetivo de testarequipamentos alternativos de compactação, propostos pela empreiteira, nãoprevistos nas especificações de construção da barragem;

Geralmente são realizados na fase do projeto executivo da barragem, quando aempreiteira já se instalou no canteiro de obras;

A interpretação dos resultados dos ensaios e das observações feitas durante arealização dos aterros experimentais, serão úteis para a tomada de algumas decisões,tais como:

• escolha do tipo de equipamento de compactação:

• número de passadas do rolo compactador:

• seleção de áreas de empréstimo e de jazidas de rocha:

• espessura da camada lançada para a compactação:

• intervalos de umidade para compactação.

Aterros experimentais - Avaliações


As observações feitas durante a execução dos aterros experimentais podem ainda identificar alguns problemas, tais como:

• Laminações nas camadas de aterro;

• Quebra excessiva das partículas rocha;

• Podem ser retiradasamostras indeformadas,para ensaios delaboratório, querepresentam melhor ascondições do aterrocompactado, que asamostras preparadas nolaboratório → Avaliar aresistência do aterrocompactado

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