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Tarcísio B. Celestino EESC – USP Themag Engenharia DEPTO. GEOTECNIA – EESC – USP

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Tarcísio B. Celestino

EESC – USP

Themag Engenharia

DEPTO. GEOTECNIA – EESC – USP

Importância da Geotecnia em MND

Tarcísio B. Celestino EESC/USP

Material?Obstáculos?Nível d’água?

Etc.

CONHECIMENTO DO MEIO ONDE SE NAVEGA

- Condições meteorológicas (aviação)- Condições de mar (embarcações)- Condições de estradas (rodovias)- Condições geotécnicas (MD)

FINALIDADES

- Escolha do Método- Otimização de parâmetros operacionais- Projeto- Eventual decisão sobre tratamentos- Previsão de impactos (recalques, levantamento, danos

em redes próximas, etc)- Etc.

ESCOLHA DO MÉTODO

- Finalidade da obra- Dimensões- Limitações de acesso- Geotecnia

Método

- Não há método à prova de qualquer geologia- Não há método que não afete o maciço circunvizinho

Escolha de MétodosTipo de

Solo N SPT Substituiçãode Tubos HDD Microtúnel

Cravação deTubos

(Pipe Jacking)

Perfuraçãoa Trado N ATM

Coesivo(Argila)

N < 5 (Mole) 0 0 * 0 * X

N = 5 - 15 (Rija) * * * * * 0

N > 15 (Rija-dura) * * * * * *

Sem coesão

(Areia/Silte)

N < 10 (Fofa) 0 0 * * * 0

N = 10 – 30(Média) * * * * * 0

N > 30(Compacta) * * * * * 0

Nível d'água alto X 0 * 0 0 X

Matacões ≤ 33%D 0 ≤ 33%D 0 ≤ 90%D 0

Seção plena

em rocha

Resitst. Compr.Simples (MPa) ≤ 80 ≤ 100 ≤ 200 ≤ 200 X *

*: Recomendado o: Possível X: Não indicado

D: Tamanho do maior matacão versus mínimo diâmetro do revestimento

(Tabela baseada na hipótese de que o trabalho seja realizado por pessoal qualificado usando equipamentoadequado.)

Escolha de equipamentos e otimização de parâmetros operacionais

Exemplos extremos de escolha de equipamento

Exemplo: Escolha de Ferramentas de Corte em HDD

Escolha de alargadores em HDD

Investigação para HDD (Heinz, 2008)

• Condições construtivas

• Condições de comportamento de longo prazo

Investigação para HDD (Gelinas e Mathy, 2004)

“... A indústria geralmente aceitou a necessidade de investigação geotecnica abrangente para HDD...”

“... a qualidade dos relatórios é muito variável...”

“... relatórios geotécnicos não fornecem os dados básicos necessários para decisões críticas de projeto e construção.”

Dados Típicos

• granulometria• posição do lençol freático• plasticidade do solo• compacidade / consistência• resistência• variabilidades vertical e lateral• obstáculos naturais ou construídos

Resultados da utilização de dados geotécnicos

• projeto do traçado• risco de fraturamento hidráulico• escolha do fluido de perfuração• velocidade de perfuração adequada• escolha de ferramentas• dimensionamento do tudo• etc.

Dificuldade de uso de informações geotécnicas

• HDD relativamente recente (comparado com valas)

• Importância de informações práticas

• Feed-back de pesquisas e projetos

Fases de Investigação Geotécnica para HDD (Gelinas e Mathy, 2004)

4 fases para:

• Descrição precisa das condições do subsolo ao longo dotraçado.

• Fornecimento de dados geotécnicos ao projetista e aoconstrutor para tomada de decisões críticas.

Fase I: Pesquisa e Reconhecimento• informações publicadas ao longo do traçado:

- geologia- propriedades dos solos- lençol freático- história do desenvolvimento da área, aterros, obras

subterrâneas, possíveis contaminações (ex. postos de gasolina)

• estabelecimento do padrão geológico:- solos alterados in situ- ambiente de deposição- fonte de aluviões- etc.

• reconhecimento do traçado e vizinhanças para verificação das informações publicadas

Fase I: (Heinz, 2008)

Reconhecimento de campo

Observações Fase I

Em áreas conhecidas (ex. Bacia Sedimentar de São Paulo) muitas atividades da Fase I são comuns a vários projetos.

Fase II: Investigação de Campo e Ensaios de Laboratório

• Campo- sondagens, SPT e poços- ensaios de penetração de cone- ensaios dilatométricos- investigação geofísica (ex.: posição do topo rochoso)- monitoramento do nível d’água

• Ensaios de laboratório em amostras selecionadas

• Compilação de Dados Geotécnicos preliminares

• Necessidade de informação adicional de subsuperfície?

Observações Fase II

Informações dirigidas:- suscetibilidade escavação- transporte material escavado- estabilidade do furo

Propriedades in situ e de amostras deformadas, como:- granulometria- plasticidade- compacidade (areias), consistência (argilas)

Fase II – Investigação de Campo Suplementar e Relatório Geotécnico

• Complementação de investigação de campo e ensaios adicionais, onde necessário.

• Consolidação de dados geotécnicos ao longo do traçado.• Relatório geotécnico final com conclusões específicas e

recomendações relativas a HDD.• Compatibilização de relatório geotécnico com projeto e

especificações.

Resultados:

• Traçado ótimo selecionado• Dados básicos

Fase IV - Construção

• Atendimento a pedidos de informação e revisão de proposta do construtor.

• Inspeção de campo e observações do progresso do HDD e da consistência de informação entre solos escavados e dados geotécnicos da Fase III.

• Eventual revisão do trecho restante.

Subproduto: informação para futuros projetos

Etapas e Custos

Projetos grandes: 4 fases independentes e consecutivas

Projetos pequenos: combinação das 3 primeiras fases

Custos típicos de investigações: 1% a 5% da construção (depende de complexidade geológica, aspectos críticos do projeto, extensão, etc.)

Projetos pequenos: até 20% (Heinz, 2008)

Hierarquização de Informações

Separar condições geotécnicas que podem:- paralisar construção- apresentar dificuldades

Diferentes etapas do processo

1. escavação e mistura do solo com fluido de perfuração.2. manutenção de furo contínuo e estável através do qual a lama pode

fluir.3. transporte do material escavado em suspensão para permitir

inserção do tubo

Exemplo de fluido adequado(Ariaratnam, 1999)

Granulometria - Transporte

• Fluido adequado pra transporte• Materiais maiores que 76mm: risco para HDD (dificuldade de

transporte)• Necessidade de poços de grande diâmetro (além de sondagens)

para entendimento de quantidade e freqüência de blocos• Solos com mais de 50% de cascalho: alto risco para HDD• Problemas de suspensão em fluidos: partículas > 19mm• Fluidos para tais solos: viscosidade elevada, alta perda de carga

Granulometria – Estabilidade do Furo

Ideal: presença de finos (passando peneira 200)

Plasticidade

LP – Limite de plasticidade

LL – Limite de liquidez

IP – Índice de plasticidade = LL - LP

Solos Expansivos

• Inchamento em contato com água• Obstrução do furo dificultado circulação de fluido• Dificuldade de inserir tubo• Presença de minerais expansivos• Função de hw, LL, LP, estado de adensamento• Naturalmente abaixo do NA – não expansivos• Muito plásticos – tendência a expansão• Uso de polímeros para impedir acesso de água• Solos muito plásticos a grande profundidade extrusivos

Compacidade ou Consistência (areias e argilas)

Função de SPT

Ex.: argilas moles, duras, etc., areia fofas, compactas, et., afetam:

• Dirigibilidade: baseada em reação passiva do solo. Mais difícil em areias fofas e argilas moles.

• Volume de fluido de perfuração maior SPT – maior volume de fluido de perfuração.

• Ferramenta de escavação: mais larga em areias fofas e argilas moles.

Heterogeneidades

• Indicação em direções vertical e horizontal• Variabilidade bruscas (por exemplo comuns em

aluviões)• Condições de mudança (contato entre camadas) ou

trechos de condição mista ao longo de interfaces)• Dificuldades de dirigibilidade, desvios, etc.

Aterros, Obstruções, Contaminação

Detectáveis pelo histórico de utilização da área

Registrar presença, localização espacial e grau de dificuldade (exemplo grau de contaminação).

Levantamento e Fraturamento Hidráulico

Normalmente função de fluido inadequado ao tipo de solo.

Levantamento de Superfície

• Perfuração muito rápida (deslocamento e compactação do solo em vez de escavação e suspensão na lama)

Fraturamento Hidráulico

Normalmente quando pressão de fluido supera tensão efetiva no solo

- Planos de fraqueza ou drenagem preferencial- Reaterro granular de tubos ou galerias- Extensão do furo (maior pf)- Mudanças bruscas de relevo- Perfuração com lama muito densa (volume inadequado

de fluido ou perfuração muito rápida)

Fraturamento Hidráulico

Pmax = γh + Cu(Delft Geotechnics)

Pmax = γh + (3k0 – 1) k0 < 1(no teto do furo)

Pmax = γh + (3 – k0) k0 > 1(na parede do furo)

(Kennedy et al., 2004)

Perda de Fluido

• Formações muito porosas• Fraturas interconectadas (alguns solos saprolíticos)• Solos granulares com menos de 12% de finos• Fluidos especiais ou tratamentos localizados• Proximidade com leitos de galerias ou adutoras

tratamento e distância adequada

Estabilidade do Furo

• Problemas em solos grosseiros• % finos < 30%: medidas necessárias• Medidas função de:

- plasticidade da fração fina- compacidade- nível d’água

Alargadores

Solos muito argilosos: menor área, maior diâmetro, ou maior número de orifícios para o fluido.

Solos granulares – não reativos, maior variedade.

Investigações para Pipe-Jacking(Klein, 1991)

• Tipo de material

• Topo rochoso

• Propriedades físicas (resistência, granulometria, plasticidade)

• Presença de interferências

Quantidades mínimas de sondagens

Trechos custos (< 60m): 3 furos

Trechos longos: espaçamento de 30-40m

Profundidades: 1 diâmetro acima e 2 diâmetros abaixo do túnel

Matacões

Capacidade do equipamento de escavação de triturar matacões

Solos coesivosγZ – Pint

Su

γZ – tensão vertical no eixo do túnel

Pint – pressão interna na face

Su – resistência a cisalhamento não drenada

N = 1–2 – resposta elástica, pequenas deformações

N = 4–5 – aumento de deformações

N > 5 – risco de ruptura

N =

Redução de N

Pint – pressão de frente

shield de lama

shield de frente balançada

ar comprimido (máquinas antigas)

Aumento de Su

tratamento do solo

rebaixamento do lençol freático

Solos não Coesivos

- Acima ou abaixo do N.A.

- Rebaixamento efetivo

46

Recalques – Bacia em Forma de Curva de Gauss (Peck, 1968)

Volume da Bacia ≅ 2,5 i δmax

Settlements

Settlements47

Peck (1968); Schmidt (1969)

n = f (tipo de solo)e.g.: n ≈ 0.8 para argilas moles

2

2)(⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

= ix

máx eSxS

π2iSV máxs =

eiS máx

t =γ

n

Rz

Ri

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2 t

ss V

V=ν

Macaqueamento - Atrito• Sobre-escavação• Tixotropia (paralisações)

rocha: 2-3 kN/m²argila, silte: 5-20 kN/m²areia abaixo N.A.: 10-15 kN/m²areia acima N.A.: 25-45 kN/m²

• Estações intermediárias• Lubrificação

Experiência Terciário de São Paulo; Matsui, 1997

Arrebentamento de TubosResistência e deformabilidade do solo

(Stein, 2001)

Bacia de levantamento

n

Rz

Ri

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2

pb VV α=

π2maxuiV b =

eiu

tmax=γ

)( 22VNP RRV −= π

Argilas, areias: n=0,8 a 1,0

Solos porosos: α<1

Solos sem variação de volume: α=1

Perfuração percussão não direcional

Condições ideais de solos (Simicevic e Sterling, 2001)• Solos compressíveis• Argilas• Siltes• Turfas• Areias fofas• Areias compactas (menos)

Considerações Finais• Importância do conhecimento geotécnico

para todos os métodos• Custos baixos em relação ao

empreendimento; benefícios elevados• Dependência de modalidade de

contratação• Poucas investigações no Brasil