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Resp. Prof. A. Viana da Fonseca (DEC-FEUP)Com colab. do Prof. Martin Fahey (UWA)

Prospecção e Caracterização GeotécnicaFundações – 5ºAno – Mestrado em Engª Civil da FEUP

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Sondagens exploratórias: reconhecimentoAmostragemEnsaios in situ e em laboratórioGeofísica

António Viana da Fonseca

MIEC, Fundações, 2009-10

PROSPECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA

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Prospecção e caracterização geotécnicaProspecção e caracterização geotécnica

Introdução: o que é?, por que fazê-lo?, quais os requisitos?

Fases da investigação Métodos de investigação e amostragem Papel doe ensaios in situ e em laboratório Desenvolvimento de modelos geotécincos Estimativa de pârametros de cáculo Referências: EC7 – Part 2; Recomendações na Área da

Geotecnia, Ordem dos Engenheiros 2004; NHI 2002 : “Manual -Subsurface Investigations; BS5930,1981Code of Practice for Site Investigation”; GeoGuide to Site Investigation, GEO. Hong Kong, 1987, Soils and Foundation Handbook 2000, Florida, US



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O que é a Prospecção e Caracterização Geotécnica?O que é a Prospecção e Caracterização Geotécnica?

O processo de avaliação do “carácter” geotécnico de um “sítio” no contexto de utilização de terrenos para construção ou para sua própria utilização.

Esta pode incluir as seguintes vertentes:• Avaliação da geologia e da hidrogeologia

• Escavação e sondagens com recurso a furação de solos e/ou rochas para recolha de amostras de solos, provetes de rochas, ou água, para para análise, identificação, classificação, e ensaios

• Avaliação in situ das propriedades geotécnicas dos materiais

• Ensaios in situ para determinação das propriedades de engenharia (geomecânicas ou hidráulicas, em particular) dos terrenos

• Ensaios de laboratório sob amostras representativas que permitam quantificar propriedades relevantes para os propósitos de engenharia

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O texto anterior é muito geral pois a natureza da de qualquer investigação depende muito do tipo de projecto, das sua dimensão e localização. Por exemplo, diferentes tipos de informação são necessárias sobre as condições dos terrenos,consoante: (a) O tipo de construção, ex: edifício de 3 ou 30 pisos, com/sem caves; (b) Desenvolvimento de escavção de 200m para um aterro, ou (c) Avaliação do fluxo de contaminates de uma unidade industrial .

Dependendo do projecto pode-se estar interessado em estudar:• a tipologia e as propriedades dos solos mais superficiais• geologia: tipo e estratigrafia, meteorizações, descontinuidades, etc• hidrogeologia: relação da geologia e linhas de fluxos , etc.

Há uma grande variedade de métodos disponíveis para reconhecimento: • avaliação de sinais geomorfológicos à superfície: tipos/singularidades • escavação de poços e valas para exame sub-superficial • condução de ensaios in situ e em laboratório sob amostras• investigação“não-invasiva” – métodos geofísicos

Estes métodos e ensaios serão analisados adiante.



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Porquê investigar um terreno?Porquê investigar um terreno?

Requisitos deProjecto

Requisitos deConstrução

Auditoria ouavaliação

Monitoring

- Definir estratigrafia/geologia - Definir propriedades das camadas e unidades geológicas- Acrescentar materiais para utilização em obra (aterros)

- Aplicabilidade do método proposto- Definir equipmento e técnicas necessárias- Selecção de um terreno apropriado

-Verificação de um terreno antes de venda/compra - Estará o terreno contaminado e, se sim, quanto?- Será o terreno (envolvente) e a estrutura estável?

- Avaliação de movimentos e minimização de contaminantes- Determinação das razões para um mau comportamento - Elaboração de ficha de comportamento para referência

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Valor Óptimo de Investigação de CampoValor Óptimo de Investigação de Campo

Se a investigação de campo não for adequada, há uma grande probabilidade dos custos gerais do projecto/execução serem altos. Acima de um certo custo, a “lei do não retorno” do investimento em prospecção aplica-se, pelo que se deve avaliar o seu interesse.

Total Project Cost $

Site Investigation Cost $

Challenging site

Benign site

Optimum site investigation cost

Total Project Cost $

Site Investigation Cost $

Challenging site

Benign site

Optimum site investigation cost

Total do custo do projecto

Terrenofavorável

Terreno camplexo

Valor Óptimo da Investigação

Valor da Investigação



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8



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SismoSismo de Niigata, de Niigata, JapãoJapão

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DanosDanos num num edifícioedifício, , SismoSismo de Loma de Loma PrietaPrieta ((EUAEUA))



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Exemplo de Requisitos de Projecto: Edifício AltoExemplo de Requisitos de Projecto: Edifício AltoAlguns aspectos de projecto:• A estrutura deve estar

construída em segurança e sem assentamentos excessivos .

• As paredes das caves devem suportar pressões das terras e da água.

• A construção (em particular a escavação para caves) não pode afectar (induzir danos) em estruturas vizinhas

Alguns requisitos:• Escolher e dimensionar

sistemas apropriados.• Avaliar a relação custo-

benefício .

QV1 Building, St George’s Terrace, Perth

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Exemplo de Requisitos de Construção: Grandes EscavaçõesExemplo de Requisitos de Construção: Grandes Escavações

Alguns condicionalismos de escavação:• O método de escavação e o rendimento da mesma. • Efeito da presença de água.



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Exemplo de Requisitos de Construção: Grandes EscavaçõesExemplo de Requisitos de Construção: Grandes Escavações

• Avaliação da ripabilidade (inc. desmonte com explosivos)• Escolha da implantação e avaliação do rendimento do

proceso de escavação.

Alguns requisitos no decurso de escavação:

• Controlo do nível de água

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Exemplo de reconhecimento em auditoriaExemplo de reconhecimento em auditoria• Alguns tópicos:• Presença de

contaminantes.• Tipos de contaminantes,

fase de contaminação...• Fontes de contaminação.• Localização de tanques

ou condutas.

Alguns requisitos:• Identificação do tipo,

fased, extensão e movimento do contaminante.

• Avalaição do impacto da contaminação.

• Determinação das decorentes e apropriadas acções.



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Auditoria de um terreno:Prospecção com base em

técnicas electromagnéticas

(geofísica) com vista a localizar objectos

enterrados

fonte: Justin Anning

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Exemplo de prospecção relacionada com monitorizaçãoExemplo de prospecção relacionada com monitorização

Alguns tópicos:• Segurança agora e no

FUTURO.• Porque é que está a tombar?• A inclinação deve ser parada

ou reduzida?

Alguns requisitos:• Avaliar a interacção entre a

estrutura e o terreno.• Rever os registos históricos.• Extrapolar para o futuro.• Avaliar a eficiência e/ou o

perigo das medidas de remediação.



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Condições subsuperficiaisCondições subsuperficiais

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Investigação para a estrutura de um edifício altoInvestigação para a estrutura de um edifício alto



Importância da geologias local Importância da geologias local

As fundações apropriadas para cada estrutura depende das condições dos terrenos.

Veja-se o caso do edifício de vários pisos em Sydney. A maior parte dos terrenos da cidade são arenitos (Hawksbury Sandstone), que se expõem na excavação. Este arenito tem resistência pouco mais baixa que o betão, logo o edifício pode ser fundado sob sapatas.

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Investigação para a estrutura de um edifício altoInvestigação para a estrutura de um edifício altoQue tipo de fundação e sistema de suporte?Que tipo de fundação e sistema de suporte?



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Esquema do processo de construção

Instalação das caves, por escavação com contenção periférica, até ao nível

definitivo das fundações

Instalação das estacas e/ou betonagem do

ensoleiramento geral (eventualmente uma grelha)

Construção incremental da caixa de escadas, pilares e

e pisos estruturais

Investigação para a estrutura de um edifício altoInvestigação para a estrutura de um edifício alto

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Inicialmente, há que identificar quais são os tópicos geotécnicos relacionados com o comportamento no decurso da construção e em serviço (?)

• Capacidade de suporte da estrutura - estabilidade• Limitação dos assentamentos a níveis recomendáveis• As paredes de contenção periférica têm que resistir

à pressões lateraisno em fase provisória e definitiva• As caves devem ser impermeáveis (estanques ou

simplemente impermeáveis – depend. de bombagem)• As estruturas adjacentes não podem ser afectadas

Que devemos conhecer para responder a estes tópiccos?• Estratigrafia, tipos de terrenos• Níveis aquíferos• Resistências dos solos e rochas envolvidos• Deformabilidade dos solos e rochas• Permeabilidade• Ripabilidade/escavabilidade



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Investigação para um caminho de ferro (Austrália)Investigação para um caminho de ferro (Austrália)Nível do terreno natural

Nível da plataforma

Esquema da secção longitudinal

Esquema da secção transversal em escavação

NewmanParaburdoo

Pannawonica

KarrathaPort

Hedland

Dampier

Planta do sítio

OCEANO

200 km

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Primeiro, quais são os tópicos geotécnicos relacionados com a construção e o comportamento em serviço?

• Como escavar em cortes• Serão as sub-bases e bases (ABGE e/ou solos

tratados suficientes para fundação das plataformas • Haverá materiais de empréstimo (aterros, balastros)• Estabilidade dos cortes e aterros (que ângulos?)• Serão necessários melhoramentos dos terrenos?

Segundo, o que é que será necessário para caracterizar?• Geologia de engenharia nos cortes• Condições dos terrenos em zonas planas,

particularmente em fundações dos aterros• Excavabilidade/ripabilidade• Balastros: resistência e durabilidade



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FasesFases de de umauma investigaçãoinvestigação de campo de campo típicatípica

“Briefing” com o cliente

Estudo de gabinete

Reconhecimento de campo

Investigação dos terrenos

Ensaios de Laboratório

Síntese da informação

Relatório Geotécnico

Monitorização durente a construção

Pode ser faseado

Fase de concurso- i.e. para ganhar o trabalho!

Uma citação de 1936, referindo-se ao sonho dos engenheiros civis que trabalhavam em grandes projectos do início do séc. 20:

Engineers imagined that the future science of foundations would consist of carrying out the following program:

• Drill a hole into the ground

• Send the soil samples obtained from the hole through a laboratory with standardized apparatus served by conscientious automatons

• Collect the figures, introduce them into equations, and compute the result.

Adap. Martin Fahey (UWA, 2005)



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1. “Briefing” com o 1. “Briefing” com o clientecliente• Determinar o âmbito e o nível de detalhe do projecto • Identificar os requisitos específicos ou enquadramentos• Prazo exigido para o trabalho• Orçamento disponível• Discussão dos níveis de risco e fiabilidade

Tempo = DinheiroInvestigação

geotécnica

Projecto Construção Em serviço

Compreensão geotécnica de determ. sítio

Problemas

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Custos de uma investigação geotécnica típica

Tipo de trabalho

Barragens de terraAterrosDocasPontesEdifíciosEstradasFerroviasMédia (ponderada)

% do custototal

0.9 - 3.30.1 - 0.20.2 - 0.50.1 - 0.5

0.05 - 0.20.2 - 1.60.6 - 2.0

0.7

% do custo das obras de terra e fundações

1.1 - 5.20.2

0.4 - 1.70.3 - 1.30.5 - 2.01.6 - 5.7

3.51.5



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Custo Ajustado do Contrato de Construção

Aumento Total do Custo de

Construção acima do Valor de Contrato

(%)

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12

“Paga-se pela investigação geotécnica,seja ela realizada ou não !”

Custo Ajustado da Investigação Geotécnica(%)

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2. Estudo em gabinete2. Estudo em gabineteMapas topográficos

• terreno, regimes hidrológicos, uso dos terrenos (com que fins)

Mapas geológicos• Condições gerais geológicas

Registos de águas subterrâneas Informação geotécnica disponível

• A “sua” empresa fez trabalhos de construção em zonas vizinhas?• Pode-se obter informação similar de outra empresa?• Há alguma informação geotécnica publicada incluindo esta área?

História do sítio: use prévio ou alteração do uso • Registos municipais• Fotografias aéreas• Mapas• Entrevistas com os “locais” (“conversas de cafés/clubes…”)



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SurpresasSurpresasEscavações para a estação Aliados do

Metro do Porto(Setembro de 2002)

Bairro da fontinha(aterrado no início

do séc. XX)

Obra parada: entrada de arqueólogos

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de um Mapa de Geologia Regional até ao local...de um Mapa de Geologia Regional até ao local...

Mapa que mostra a geologia

superficial na região de Perth

Um exemplo nos antípodas



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Parte do Mapa Geológico de Perth

Perth Metropolitan Region: 1:50,000 Environmental Geology Series: Perth. (© WA Government)

34



35

Informação de sondagens enquadrada

no mapa geológico de

Perth

36

Área urbana de Perth (Andrews, 1971)

Andrews, D.C. (1971): Soils of the Perth Area - The City Centre. Division of Applied Geomechanics Report No



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Part of Geology Map of Perth

Localização de duas secções (3&4) mostradas no seguinte slide

Área urbana de Perth (Andrews, 1971)

38

SECÇÃO 3

SECÇÃO 4



39

Conquista em aterros desde 1838

40

Clima e Características de AlteraçãoClima e Características de Alteração

Porto, Oeste da Europa Perth, Oeste da Australia



41

Perfis de Alteração em GranitoPerfis de Alteração em Granito

Região do Grande Porto

Um modelo geológico de mais complexo

Aspectos das massas de alteração de rochas ígneas(R. Fell et al. 1992)

Perf il de alteração esquemático do Porto (Begonha and Braga, 2002)



Metro do Porto. Condições Geológicas

Geologia do granito do Porto

“Todos os graus de meteorização e juntos“

Túneis- avaliação geológica

Modelo geológico diferido a zona da Estação Heroísmo (Transmetro)

Metro do Porto. Condições Geológicas



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PORTOS-Billiton’s Port Hedland Iron Ore Terminal

46

19671967 19771977Port HedlandPort Hedland



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3. Reconhecimento geotécnico3. Reconhecimento geotécnicoDeterminar o acesso (Existe? Quem tem as chaves?)

Condições de inspecção a partir da superfície:• Afloramentos superficiais de solos e rochas• Localizações de fontes e lençóis freáticos• Depressões superficiais, instabilidade, movimento, etc.• Existência de aterros• Contaminações claras• Alterações de vegetação (ex. filões de dolarites sob granitos)

Inspecção próxima de corte existentes, drenos etc.• podem revelar estratigrafia

Examinar estruturas existentes e adjacentes• que razões para problemas associados a problemas de fundações?

Localização de serviços • Todos os prejuízos do colapso de condutas são sérios; o de uma

conduta de gás pode ser dramático

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Infraestruturas para o novo projecto do Mercado do Bolhão

Saneamento

Águas

Gás

Telecomunicações



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4. Investigação de maciços4. Investigação de maciçosDeterminação das condições dos maciços:

• escavação da poços de inspecção: usualmente de profundidade de 2-3 m e extensão de 5-6 m

• Furação com amostragem e ensaios: hoje mais comum à rotação• Sondas de cravação cravadas desde a superfície• Especialmente equipmentos de ensaios in situ (pressiómetros, dilatómetros…)

• Ensaios geofísicos: métodos não intrusivos

Determinação das condições hidrológicas:• Instalação de piezómetros• Amostragem de lençóis freáticos

• Ensaios de permeabilidade ou de bombagem

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5. Ensaios de laboratório5. Ensaios de laboratórioEnsaios índice para a identificação e classificação

• Limites de liquidez e de plasticidade, granulometroia, etc.Resistência

• Corte directo, triaxial, etc.Rigidez

• triaxial, rigidez para “baixas deformações”Comportamento em compressibilidade/consolidação

• edómetros ou células de Rowe, triaxial Permeabilidade

• ensaios de laboratório geralmente não fiáveisConteúdos em químicos e qualidade da água

• conteúdos em químicos naturais, ex. sulfatos, sais…• contaminantes



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6. Síntese de informação6. Síntese de informação

Combinar a informação para desenvolver uma imagem subsuperficial de um sítio

Sumariar e simplificar a gama informação para produzir:

• idealisar estratigrafia (o modelo geológico do sítio)

• parâmetros de dimensionamento para as fundações necessárias às estruturas propostas

52Fazer um corte com uma inclinação neste sítio; quais são as condições reais do terreno?



53Um conjunto “perfeito” de sondagens pode dar uma excelente informação sobre localizações discretas

54Consegue-se fazer uma previsão correcta das condições actuais a partir da informação de sondagens com furação ??



55

56

Depósitos superficiais

Geologia SimplificadaGeologia Simplificada

Falhas

Xistos

Arenitos e xistos interestratifcados



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Análise da massa definida pela secçãoAnálise da massa definida pela secção

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7. Relatório Geotécnico7. Relatório GeotécnicoRelatório factual:

• Logs das sondagens poços de inspecção• Resultados ensaios in situ• Resultados de ensaios laboratoriais• Sumariar as condições dos terrenos• Sumariar possíveis parâmetros geotécnicos de dimensionamento

Relatório de interpretação:• parâmetros geotécnicos de dimensionamento e estratigrafia

relevante• Requisitos de construção ou tratamento/melhoramento• Previsão do comportamento em serviço

Relatórios podem ser combinados num só



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8. Monitorização durante a construção8. Monitorização durante a construçãoConfirmação das condições dos maciços

• Assegurar que nada relevante foi omitido/não identificado

Confirmação do comportamento esperado• Monitorização dos movimentos de paredes de retenção,

avaliando se os mesmos correspondem ao esperado

• Realizar ensaios de carga em estacas - avaliando se o comportamento de carga-assentamento corresponde ao previsto

Alterar o dimensionamento e/ou os procedimentos construtivos como necessário.

60

Condições Interpretadas da Investigação GeotécnicaCondições Interpretadas da Investigação Geotécnica



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Condições Reveladas durante a ConstruçãoCondições Reveladas durante a Construção

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Condições Antecipada no ConcursoCondições Antecipada no Concurso

CondiçõesCondições Encontradas Durante a ConstruçãoEncontradas Durante a Construção



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Parede de uma vala em areia, CaliforniaParede de uma vala em areia, California

• Mostra um depósito aluvial típico, interestratificadp por areias e godos

• Uma simples campanha de sondagens com amostragem integral daria uma boa imagem da realidade

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Perfil de alteração Perfil de alteração Mina de Ouro, AustraliaMina de Ouro, Australia

• A compreensão da geologia ajuda a compreender a estratigrafia

• Aqui está o exemplo de um perfil de alteração típico• laterite massiva “capeamento rochoso”

• Zonas argilosas subjacentes

• Granito são (não alterado)



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Perfil de alteração,Perfil de alteração, Mina de Ouro, Mina de Ouro, Boddington, AustraliaBoddington, Australia

Camadas de topo rígidas, demonstrando argilas sob uma capa laterítica, com ainda mais prof. contacto granítico

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O Método ObservacionalO Método ObservacionalAntes do projecto começar:• Suficiente mas não substitui uma investigação detalhada com

exploração a partir da superfície.• Avaliar as condições mais prováveis e/ou definir propriedades

de dimensionamento.• Selecção de situações a observar e os projectos a sequenciar.• Prever as quantidades na base do pior cenário e as muito

prováveis condições.• Selecção em avanço de acções para surtir quaisquer desvios

das condições anticipadas.Durante o projecto:• Medição de quantidades e avaliação das condições.• Alterar o dimensionamento ou procedimentos que se ajustem.



67

Excavação de caves em ChicagoExcavação de caves em Chicago

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Optimisanda a envolvente de dimensionamento para as forças das escoras que deveriam ser usadas (39)

As cargas em cada escora foram medidas.

Escoras extra foram colocadas de reserva para o caso de as medições contrariarem as previsões (só 3 foram necessárias, outras dispensadas)

Houve significativas poupanças (42 escoras contra 60 previstas)

Excavação de caves em ChicagoExcavação de caves em Chicago



69

Túnel da variante Graham FarmerTúnel da variante Graham Farmer Escoras que suportam as paredes laterais. Cargas medidas

(c/ células de carga) - verificar se foram sobrecarregadas As cargas medidas nas escoras foram minímas (rigidez dos

terrenos muito superiores assumidas por projectistas) Escoras dispensadas a meio da execução ao longo do – com

poupanças de muitos $$$$

Escoras com espaçamentos de ~ 1m instalados depois

de escavação parcial

Laje de cobertura betonada previamente no terreno

Parede moldada (betonagem in situ)

Escavação em dois estágios em dois estágios - instalar escoras depois da 1ª fase

Remover escoras depois da betonagem dalaje sobre o terreno

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Investigação subsuperficialInvestigação subsuperficial Propósito:

• Investigação da estratigrafia e de marcas geológicas presentes• Que camadas de solos e rochas estão presentes? Qual é a espessura das

camadas? Que sinais dão das bases (dos firmes) geológicas?• Determinação das condições hidrológicas

• Onde se situa o nível aquífero? (Serão bolsas de água ou lençóis confinados?). Há fluxo hidráulico? Em que direcção? Há artezianismo? Estarão os níveis aquíferos poluídos e em que medida?

• Estimativa de parâmetros de engenharia nestes materiais• Para o uso previsto de um determinado sítio (edifício, barragem, túnel,

mina…), quais são os valores parâmetros de engenharia (resistências, rigidezes, permeabilidades, características consolidação …) que são requeridos no dimensionamento das estruturas/construções.

Opções gerais que estão disponíveis:• Excavação• Sondagens à furação e amostragem• Ensaios in situ: métodos físicos• Ensaios in situ: métodos geofísicos



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Profundidade de Investigação Profundidade de Investigação -- FundaçõesFundações

Tem que se reconhcer os maciços até profundidades em que os solos/rochas ainda forem significativamente tensionadas (provavelmente até 10% da tensão aplicada). Tal é no mínimo duas vezes da largura da área carregada.

Sapatas isoladas Grupo de estacas

Bolbos de tensão

O maciço tensionado é mais profundo devido à interacção entre estacas e devido ao efeito da interacção lateral (pelos fustes)

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Prova de um estrato de baixa permeabilidade

Exploração em profundidade a cerca de o dobro da da altura de água

H

2H

H

Situações críticas são a percolação, a rotura de fundação e o assentamento

B

½BExploração em profundidade a cerca de metade da dimensão da base da barragem de terra

Profundidade de Investigação Profundidade de Investigação –– Barragens e ReservatóriosBarragens e Reservatórios



73

Classificação dos Sistemas em Solos e RochasClassificação dos Sistemas em Solos e Rochas

Estas apresenta:• descrição com terminologia padrão de categorias de materiais• Graus de resistência, densidade, meteorização, etc

Propósitos:• Consistencia dentro de um projecto e entre projectos• Evitar enganos sobre os tipos de materiais (evitar reclamações pelo

empreiteiro !)• Permitir identificação de procedimentos simples• Permitir simplificações em condições complexas• Permitir generalizações sobre tipos de solos e rochas e seus usos

Classificação rigorosa de todos os materials é essencial - este é o meio ideal para comunicar as condições do terreno para os projectistas geotécnico

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Classificação dos Solos Classificação dos Solos Dim.Partíc.s

(mm)Divisiões

200632062.360.60.20.075

Pedrasburgau

cascalho

areia

silte e argila

grossosmédios

finosgrossosmédios

finos

GWGPGMGC

SWSPSMSC

MLCLOL

MHCHOH

Pt

Cascalhos bem graduados, arenososCascalhos bem graduados, arenososCascalhos siltosos, com ev.s argilasCascalhos argilosos, com ev.s siltes

Areias bem graduados, cascalhentosAreias mal graduados, cascalhentosAreias siltosas, misturas Areias argilosas, misturas

Siltes de baixa plasticidade , c/ arg+silteArgilas de baixa plasticidade , c/ arg+areiaSiltes orgânicos de baixa plasticidade

Siltes de baixa plasticidade , c/ arg+silteArgilas de baixa plasticidade , c/ arg+areiaSiltes orgânicos de baixa plasticidade

Turfa e outros solos orgânicos muito plásticos

< 5 %

> 12 %

< 5 %

> 12 %

Quant.s de finos

Esta classificação Unificada dos Solo foi adoptada nos

documentos do CEN:EN ISO 14688-2



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Ábaco para uso em engenharia para decisões “imediatas” Ábaco para uso em engenharia para decisões “imediatas”

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Classificação de campo resistênciaClassificação de campo resistênciaDESCRIÇÃO

RESISTÊNCIADEFINIÇÃO RESISTÊNCIA NÃO

DRENADA (kPa)MUITO MOLE Fácil penetrar alguns centímetros com um punho < 12.5

MOLE Fácil penetrar alguns centímetros com um polegar 12.5 – 25MÉDIA Pode ser penetrado alguns centímetros com um

polegar com esforço moderado25 – 50

RIJA Indentado facilmente por pelogar mas penetradosó com um grande esforço

50 – 100

MUITO RIJA Indentado facilmente com um dedal num polegar 100 – 200DURA > 200

RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO UNIAXIAL

ESTIMATADA (MPa)EXTREMAMENTE FRACAFacilmente remoldada à mão com um material com propriedades de solo < 0.45

MUITO BAIXO Pode ser quebrada com mão com dificuldade 0.45 – 1.25BAIXA Corta-se facilmente com um faca 1.25 – 5MÉDIA Corta-se dificilmente com faca, indenta-se pontualmente com agulha 5 – 12.5ALTA Não se corta com faca, indenta-se com agulha até 5 mm 12.5 – 50

MUITO ALTA Só parte com um martelo 50 – 100EXTREMAMENTE ALTA Precisa de vários golpes de martelo para partir >100

SOLO

ROCH

A



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Outras Classificações e NormasOutras Classificações e Normas

Formas e angularidades das partículas de soloCompacidade relativa de solos não-coesivasMineralogia de minerais argilosos: determinar a

mineralogia por difractometria de raio-X e nãosó determinar limites de Atterberg (plasticidade)

Mineralogia de materiais de dimensão de areia: muitas areias são de sílica (quartzo), mas algumas em terra, e muitas em costas ou no mar, são calcáreas

Tipo de rochas e composição mineralTipo de meterorização da rocha:

• Alteração e decomposição da rocha originalDescontinuidades em rochas:

• tipo, forma, rugosidade, espaçamento, desenvolvimento, etc.

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Escavação: Trado ManualEscavação: Trado ManualPermite uma fácil avaliação de solos presentes apoucos metros de profundidade de um perfil.

Limitado em profundidade em solos não coesivos espessos com níveis freáticos altos.



79

Excavação: Poços e ValasExcavação: Poços e Valas Typicamente usando uma retro- ou pá-

escavadora Até profundidades de cerca de 3 m (indo

a maiores profundidades maiores com braços especiais)

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ExcavaçãoExcavação: : PoçosPoços e e ValasValas Permite:

• Inspecção visual e identificação, definição de logs em solos expostonas paredes

• Colecta de amostras de blocos

• Alguns ensaios in situpara determinar propriedades de engenharia

SEGURANÇA:• Valas profundas podem can colapsar – pondo em risco pessoas

• É precsios ter cuidados em zonas poluídas – os poços podem ter gases letais



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Sondagens à Furação e AmostragemSondagens à Furação e AmostragemFuro executado com recurso a carotagem à rotaçãoCortes com amostras a partir de poços Amostras para inspecção, identificação e ensaios

• Amostragens podem ser “integrais” ou “indeformadas”Ensaios in situ podem ser conduzidos em furos de

sondagens (SPT; FVT-vane; pressiómetros; ensaios de bombagem –LeFrank/Lugeon- p/det. permeabilidade)

Determinação de regimes de percolação• Medições de lençois freáticos num furo (após algum tempo)• Recolha de amostras de águafreática para análises químicas

Uma grande variedade de técnicas de furação podem ser usadas, dependendo de:• Tipo de solo ou rocha esperado• Profundidade de investigação necessária• Qualidade requerida das amostras• Disponibilidade de equipmentos (para pequenos projectos em zonas

remotas, podem ter que depender de equipmentos não-ideais)

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Sondagens à FuraçãoSondagens à Furação

Truck mounteddrilling rig Hollow stem augers

Trados Maciços- Material cortado em contínuo e recolhido à superfície-não é clara a profundidade a que essa recolha corresponde

Trados Ôcos- O bit interior pode recolher, permitindo recolha porlevantamento do trem e ainda, proceder a ensaios (ex. SPT, vane)



83

Equipamentos de sondagens: antiquados e novosEquipamentos de sondagens: antiquados e novos

84

Sondagens no Brasil e BangladeshSondagens no Brasil e Bangladesh



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Sondagens à Rotação com circulação de lama na furaçãoSondagens à Rotação com circulação de lama na furação

Cabeça de rotação

Unidade de rotação

Varas de furação

Recobrimento Bomba

Tanque de decantação para recirculação do fluído de furação e recolha de materila

cortado

Bit de desgaste

Furar a água tem um conceito semelhante que se baseia em pouca acção mecânica de penetração e pode formar um furo por injecção. Isto pode ser conduzido com um equipamento leve, sem necessidade de um equipamento hidráulico e de rotação.

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Amostragem à rotaçãoAmostragem à rotação



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Estabelecendo perfis a partir deEstabelecendo perfis a partir deamostras de corôas diamantadasamostras de corôas diamantadas

88

Amostragem em soloAmostragem em soloAs operações de furação em solos geralmente não recuperam amostras , embora o material recolhido à superfície possa ser analisado com propósitos de identificaçãoo e classificação.As amostras serão geralmente recolhidas a cada 1.5 m depth (SPT...) Amostradores de paredes contínuas, thin-walled tube, são usados em solos coesivos para ter amostras “indeformadas", e o amostrador de Terzaghi (SPT) é usado em não coesivos para obter amostras integrais.

Grande variedade de métodos de amostragem.Amostrador de paredes finas Amostrador SPT



89

Piezómetros: Instalados em Furos ConcluídosPiezómetros: Instalados em Furos ConcluídosPiezometro de tubo aberto para monitorar níveis estacionários de água.

O furo é selado para evitar passagem de água da cama de areia de topo para a inferior.

Se o fluído de furação for usado em avanço, tal pode aftoectar o comportameno.

Outros piezómeters são preferidos para monitorar pressão neutra solos finos.

Solo arenoso

Solo arenoso

Solo argi loso

Tubo aberto

Base porosa com secção crepinada

Material de fi ltro

Material de enchimento

Selagem bentonite

90

PiezómetroPiezómetro

Piezómetro montado antes da instalação



91

Rotura por corte

distorcional

Rotura por compressão, e

corte distorcional

Escorregamentona interface

Ensaio de corte directo

Ensaio de corte simples

Ensaios de compressão triaxial

Ensaio de compressão unidimensional (consolidatção

Alguns ensaios usadosv

F

F

F

F

hh

1

33

v

h = 0

Ensaios de LaboratórioEnsaios de Laboratório

Nota: Ensaios laboratoriais sobre amostras de grande qualidade

92

Avaliação de Qualidade de Amostra: RaioAvaliação de Qualidade de Amostra: Raio--XX



93

Tubos em X-Ray para Selecção de Amostras Válidas

94

Ensaios Ensaios In SituIn Situ Há uma larga variedade de tipos de ensaios que podem

ser usados para avaliar as propriedades dos maciçosÉ muitas vezes preferível realizar ensaios in situ na

tentativa de medida um parâmetro particular, mais do que recolher uma amostra e ensaiar em laborat.:• A resistência e rigidez é baixa, pela falta de qualidade de amostras• Mas, algumas vezes, recolhe-se porções de melhor qualidade (mais resistentes) , o que pode NÃO representar a massa global in situ

Parâmetros típicos que podem ser obtidos, tanto directamente, como indirectamente por ensaios in situ:• Resistência• Rigidez• Permeabilidade• Compacidade relativa• Tensão horizontal (??)



95

Ensaios Ensaios In SituIn Situ Alguns do tipos mais comuns:

• Ensaios de Penetração• dinâmicos (batimentos com queda livre) – ex. Standard Penetration Test (SPT)• estático (cravado suavemente usando hidráulicos) - e.g Cone Penetration Test (CPT)

• Ensaios com Vane (para resistência de argilas moles)• Ensaios com Dilatómetro (DMT)• Ensaios com Pressiometros: com pré-furação (PMT) ou autoperfuração (SBP)• Ensaios com Carga em Placa• Ensaios com a placa rotativa (Screw plate)

Os tipos usados dependem da localização geográfica (e dos tipos de solos predominantes)• Na América é sobretudo Standard Penetration Test (SPT), muito grosseiro• Na Austrália é sobretudo o Cone Penetration Test (CPT), com alguma

amostragem, embora o SPT ainda seja muito usado• No Sudeste Asiático e Japão – sobretudo SPT• offshore engineering – sobretudo CPT com amostragem• Europa – no Norte, o CPT (excepto França - Ménard PMT), no Sul, o SPT

Geofísica (diversos ensaios non-intrusivos)

96

Alguns ensaios Alguns ensaios In SituIn Situ



97

Standard Penetration Test (SPT)Standard Penetration Test (SPT)

Correcções são normalmente aplicadas aos valores de golpes SPT para ter em conta diferenças de:

760 mm

Massa: 63.5 kg

Número de pancadas para guiar o amostrador de penetração de 150-450mm

Martelo SPT

63.5-kg DropHammerRepeatedlyFalling 0.76 mAnvil

Sp lit-Barrel(Drive) Sampler: O.D. = 50 mm I.D. = 35 mm L = 760 mm

• energia efectiva desenvolvida durante o ensaio• nível de tensão na profundidade de ensaio

98

Ensaio SPT com um equipmento clássico (tripé)Ensaio SPT com um equipmento clássico (tripé)



99

Interpretação do SPT Interpretação do SPT –– Uma lista de intenções?Uma lista de intenções?

? SERÁ LÓGICO ?

Sobreavaliar as

capacidades do SPT para definição de parâmetros

para o projecto

geotécnico !

100

Interpretação do SPTInterpretação do SPT

• Sensibi lidade à técnica de operação à prática de sondagem, detalhes do equipmento, etc.

• Equipmento não normalizado internacionalmente

• Pode haver problemas abaixo do nível de água

• Equipamento e procedimento simples

• Amostra de solo obtida (perturbada)

• Existem muitas correlações (algumas sensíveis, outras não)

Algumas vantagens do ensaio: Algumas desvantagens do ensaio



101

SPT e CPT no mundoSPT e CPT no mundoO SPT é o ensaio in situ MAIS COMUM em solos

arenosos como meio de investigação no mundo (América e Ásia), mais ainda desregulamentado

O SPT não é muito usado no Norte da Europa (exc.UK)

Em Portugal, o SPT domina a prática, mas o CPT vem crescendo como meio mais gradual para tornar as análise menos dependentes dos processos, operadores e equipamentos, procurando-se alargar aos ensaios pressiométricos em maciços mais rígidos

O CPT é claramente um ensaio SUPERIOR, MAS• Não recolha amostas para identificação dos materiais• Não é adequado emmateriais muito granulares (com grossos,

como cascalhos ou massão com blocos –ex. Solos Residuais)

102

Cone Penetration Test (CPT)Cone Penetration Test (CPT)

Diâmetro 35,7 mm (área: 1000 mm2)cravado estaticamente e 20 mm/s



103

Montagem do ensaio CPTMontagem do ensaio CPT

Friction ratio: (fs/qc)

104

Camião CPT (Perth, WAus)Camião CPT (Perth, WAus)Reaction do próprio camião: 20 ton. Reaction do próprio camião: 20 ton.

Cilindros niveladores



105

Camião aberto de Camião aberto de tonton. . ((GeorgiaGeorgia TechTech GeomechanicsGeomechanics GroupGroup, Atlanta), Atlanta)

Âncoras ao terrenoÂncoras ao terreno

Âncoras com trados de pás

106

CPT usado com um equipamento de furaçãoCPT usado com um equipamento de furação



107

CPT usado com um equipamento de furaçãoCPT usado com um equipamento de furação

108

Detalhes dos conesDetalhes dos cones

Células de carga para medições de

qc e fs



109

Resultados do CPTResultados do CPT

Prof

undi

dade

(m)

0

5

10

15

20

25

30

Razão de fricção: (fs/ qc)

f s qc

110

Ensaios com o Ensaios com o PiezoconePiezocone (CPTU)(CPTU)

u positivos em argilas (mas negativas em argilas altamente sobreconsolidadas)

u = 0 - ie u = uo(hidrostática) em areias limpas (pode ser lig. positivo de u em areia siltoso)



111

InterpretaçãoInterpretação CPT/CPTU CPT/CPTU –– TipoTipo de Solode Solo

Ábaco de Robertson & Campanella

112

Resultados típicos de CPTU Resultados típicos de CPTU -- 11

Argila mole ou areia muitosolta

}

http://www.ce.gatech.edu/~geosys/Faculty/Mayne/Research/index. html



113

Resultados típicos de CPTU Resultados típicos de CPTU -- 22

114

max

0.5max

Gmax or Go

G50

Gamas típicasde deformação

3000

2000

1000

00.01 0.1 1 100.001

Paredes decontenção

Fundações

Deformação axial (%)

Eu/su

Comportamento típico de um solo em tensão-deformação – muito não-linear e NÃO elástico

Rigidez do SoloRigidez do Solo

Gmax: Módulo distorcional tangente inicial (tamb+ém designado de Go –rigidez a deformação ZERO)

G50: Rigidez secante sobre uma tensão na gama de 0 a 50% da resitência

A “rigidez" do solo não é um parâmeter único – TEM QUE SE USAR um valor secante apropriado para cada problema

Nota: E = 2(1+)GPara 0.2 < < 0.5, 2.4G < E < 3G( é o coeficiente de Poisson)



115

GGoo ((GGmaxmax) e Previsão da deformação e “serviço”) e Previsão da deformação e “serviço”GGoo ((GGmaxmax) e Previsão da deformação e “serviço”) e Previsão da deformação e “serviço”

Go

Gsec = G

Ten

são

dist

orcion

al

Distorção

Tensão distorcional aplicada

Go pode ser facilmente medido (ver à frente)

Go normalmente não pode ser usado directamente• Extensões previstas (assentamentos) excessivas

Tem que se “minorar” Go• Comom se usa o ratio G /Gopara fornecer deslocamentos correctos?

Isto não é uma forma extrema de extrapolação• Não é provável ser fiável !

Distorção prevista usando Go

Distorção associada à tensão aplicada

116

Medida de Rigidez Máxima(GMedida de Rigidez Máxima(Goo))Ensaio com o Cone Sísmico (SCPT)Ensaio com o Cone Sísmico (SCPT)

Tempo de propagação medido e ,assim, velocidades das ondas distorcionais Vs

Static Load

Martelo de impacto

Ondas de

corte

GatilhoOsciloscópio

Geofones

Cone de 1 ponto

1 m

Go = .(Vs)2

Cone de 2 pontos



117

Viga e Martelo de Fonte de onda Distorcional Viga e Martelo de Fonte de onda Distorcional

Ensaios com Cone Sísmico SCPTu em Perth e …

118

Viga e Martelo de Fonte de onda Distorcional Viga e Martelo de Fonte de onda Distorcional

Ensaios com Cone Sísmico SCPTu na FEUP



119

Registo de ondas Registo de ondas distorcionaisdistorcionaisa 1m de intervalo em profundidade a 1m de intervalo em profundidade

Linha ao longo do primeiro pico:o gradiente fornece a velocidade

60o

Vs

Tempo de chegada da onda distorcional –em Downhole, ts

Fornece quatro medidas independentes em profundidade:

Ensaios com o Ensaios com o PiezoconePiezocone Sísmico Sísmico SCPTuSCPTu

qc

Resist. ponta unitária, qt (=qc corrig.)

u1

u2 Pressão neutra, u

fs Resist. lateral unitária, fs



121

Outras Formas de Ensaio Sísmico para obter GOutras Formas de Ensaio Sísmico para obter Goo

Cone Sísmico SCPT é só uma forma conveniente de “ensaio downhole”

Pode-se ainda realizar “crosshole” em que as ondas distorcionais são enviadas entre dois furos

Em qualquer dos casos, a medição do tempo de percurso entre certa distância

Em ensaios “downhole” (como no SCPT), os registos fazem-se convencionalmente em intervalos de 1 m:• A diferença entre um tempo de chegada num ensaio e o seguinte permite deduzir a velocidade

• O tempo de propagação é interpretado para inferir a velocidade de onda distorcional (Vs), que em permite chegar a Go

Pode-se usar Ondas de Superfície (Ondas de Rayleigh) para determinar Go e a sua varação em profundidade

122

Ensaio DownholeEnsaio DownholeOsciloscópio

Furo encamisado

x

Intervalo em profundidadepara registo

Velocidade Horizontal

Transdutores(Geofones

Receptores)

packer

Bomba Prancha horizontalcom peso para

ajuste ao terreno

Velocidade de Onda “S”:Vs = R/t

z1z2

t

R12 = z12 + x2

R22 = z22 + x2

x

Martelo



123

Osciloscópia

Furo com camisa de PVC

Martelo(Fonte)

Downhole Transdutor deVelocidade(GeofoneReceptor)

t

x

Velocidade de Onda “S”:Vs = x/t

Profundidadede ensaio

ASTM D 4428

Bomba

packer

Nota: A verticalidade do furotem que ser determinada porinclinómetros para corrigir

distâncias x em profundidade

Inclinómetrode inclinação

Inclinómetrode inclinação

Ensaio CrossholeEnsaio Crosshole

Furo com camisa de PVC

Registos de SCPTURegistos de SCPTU

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25qt (MPa)

Dep

th B

GS

(m

)

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8Friction Ratio (%)

0

5

10

15

20

25

-5 00 500 1500 2500u2 (kPa)

0

5

10

15

20

25

0 250 500Vs (m/sec)

SM

De nse Sa nd

Stiff Clay

Clayey Silt

Dense Sand



125

Rigidez de pequena deformação (Eo) a partir de ensaios sísmicos

Retro-análisie a partir de medições de edifícios

Edómetros

Triaxial

Rigidez da Argila de Londres

Eo (Go) demasidamente elevado para ser usado directamente para prever assentamentos (considerações adiante sobre SBP)

Ensaios de laboratório mostram neste caso que as amostras são smpre muito perturbadas para serem representativas

Ainda assim tem havido resultados bem mais fiáveis com as técnicas disponíveis actualmente –deformação interna e com pivitagem directa aos transdutores.

126

Interpretação do CPT Interpretação do CPT -- ResistênciaResistência

Resistência de Ponta, qc (MPa)0 10 20 30 40 50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Ten

são

ver

tica

l ef

ecti

va,

' v

(kP

a)

= 48°

46°

44°

42°

40°38°36°30°

Lunne et al. (1997)

Solos não coesivosSolos coesivos

vucc sNq

qc = measured cone resistanceNc = a bearing factor, typically between 9 and 15

Corrections are needed for pore pressure acting on shoulder of cone



127

Baldi et al. (1989) rigidez de “serviço” para 0.1% de deformação

Example:

'vo = 100 kPa

qc (MPa) qc/('vo)0.5 E's/qc

4 400 4 a 24

10 1000 3 a 12

20 2000 2 a 6

Rigidez de Areias a partir do valor de qRigidez de Areias a partir do valor de qccCPT?CPT?

• Não há ligações directas entre qc e rigidez

• O ratio E/qc depende do tipo de areia, idade, etc

• O ratio E/qc depende de qc –para uma determinada prof.(́ vo), quanto maior for o valor de qc menor o ratio E/qc

128

Cones equipados com outros sensoresCones equipados com outros sensores CPT standard mede forças (qs, fs) e pressões neutras

(u, u) CPT sísmico inclui geofone(s) para medir Vs

“Cone Resistivímetro” inclui móduo para determinação de resistividade eléctrica do solo (conductividade) • Na realidade mede a conductividade do fluído instersticial -

pode detectar a presença de poluentes iónicos (e: ferro -alta conductividade) ou hidrocarbonetoss (muito baixa conductividade)

Muitos outros sensores• câmera video miniatura que filma através de uma janela

(para “vee” a presença de presença de poluentes)• Cone de Fluorescência de Laser Induzida (vários poluentes

têm propriedades flourescentes)• Muitos tipos novos – profícua investigação em curso



129

Cones: pressão neutra e medidas de resistividadeCones: pressão neutra e medidas de resistividade

Vários tipos de cones com transdutores de

pressão

Vários tipos de cones com transdutores de pressão e

módulo adicional de resistividade

Transdutor de pressão na face do cone

Módulo de Resistividade

130

Cone de Fluorescência

Laser Induzida

Muitos módulos distintos são

agora conectados a

cones para monitorar vários

poluentes ó módulo de

resistividade é mais básico



131

“Video“Video--Cone” Cone”

Módulo de Cone com Câmara de VideoMiniatura camera protegida com uma

janla de safira

Video da penetração em areia com resíduo de alcatrão

132

Ensaio Ensaio PressiométricoPressiométrico

Princípio básico

Pressiómetro “Auto-perfurador”

de solos

Fornece:- Rigidez- Resistência- Coeficiente de consolidação- Tensão horizontal de repouso

Cylindrical probe, inflated in borehole, measure pressure versus expansion



133

EnsaiosEnsaios PressiométricosPressiométricosTipos:

• Inserido num furo com pré-furação (tipo Ménard); universal: para solos, rochas ou IGM materiais de interface

• Pressiómetro “Auto-perfurador” (SBP) – o próprio torpedo perfura no decurso do avanço no maciço –areias, argilas ou solos residuais

134

Ensaios PressiométricosEnsaios Pressiométricos Princípio:

• A membrana é insulafa – mede-se a pressão de expansão (p) com o terreno

• Plota-se a pressão (p) em relação à “def.de cavidade” = r/ro

• Obtém-se a resistência ao corte (su) a partir da curva de pressão -deformação

• Obtém-se a rigidez (módulo de distorção, Gur) a partir, idealmente, doss ciclos de descarga-recarga

• No caso do SBP, a pressão de “liftoff” deve ser igual àtensão horizontal de repouso (in situ: ho)• Muitas vezes afectada pela perturbação da autoperfuração (MAS,

AINDA ASSIM, É O MELHOR MÉTODO DE MEDIÇÃODE DE ho)• A partir da pressão neutra gerada na membrana, pode-se deduzir o coeficiente de consolidação cv a partir de um ensaiomanutenção de pressão (mantendo constante e medindo a taza de dissipação do excesso de pressão neutra)



135

Investigação para a modelação da Estação do MPde Salgueiros

(2005)

PressiómetroPressiómetro AutoAuto--perfuradorperfurador LNEC/FEUPLNEC/FEUP

136

Ex. Estação de Salgueiros do Metro do Porto A. Topa Gomes (2008)

Uma solução inovadora: adaptação do NATM na vertical para uma escavação em cut-and-cover



137

Um grande número de variáveis está envolvido,pelo que a obtenção de um conjunto único de parâmetros que permita o ajuste das curvas é complexo.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 2 4 6 8 10

Cavity strain (%)

Cav

ity p

ress

ure

(kPa

)

P1-T4 test

Numerica l model

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 2 4 6 8 10

Cavity strain (%)

Cavi

ty p

ress

ure

(kPa

)

P2-T 3 te st

Nume ric al model

Curvas pressão-deformação obtidas e simuladas numericamente em muito difíceis condições de auto-perfuração em solo residual do Porto (Salgueiros)

W5 –completely weathered.

W4 – highly weathered

EXEMPLO de ajuste global das curvas de pressão-expansão em ensaios SBPT como forma ideal de parametrização de solos residuais sensíveis

Topa

Gom

es e

t al.

(ISC

3; 2

008)

Pode-se encontrar um padrão de comportamento (tendência geral) que permita, com confiança, encontrar o conjunto constitutivo.

138

Ajuste global das curvas de pressão-expansão em ensaios SBPT

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Pres

sure

(kP

a)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

P1- T4 test

Numerical model

Um bom ajuste foi conseguido com a modelação numéricaA deformaçãp entre os dois ciclos de descarga -recarga foi ajustada

G assim deduzido na modelação numérica entre os ensaios é simi lar mas sempre com as devidas difefrenças em relação a G0

0

5

10

15

0 500 1000 1500G 0 (MPa)

Dep

th (m

)

0 25 50 75

NSPT

CH1+CH2 CH3+CH4

SPT-SE5 SPT - SC1

(2051)



139

Pressiómetro AutoPressiómetro Auto--perfurador UWA (SBP)perfurador UWA (SBP)

Investigação para o Túnel do Metro de Perth

(2003)

140

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2 4 6 8 10

Cavity strain (%)

Ca

vity

pre

ssu

re -

uo (

kPa)

Go = 229 MPa(SCPT)

Gur = ½ slope of unload-reload loop

“Fluência” a pressão

constante

Pressiómetro AutoPressiómetro Auto--perfurador em Areia (Perth)perfurador em Areia (Perth)



141

Rigidez de ciclos de descargaRigidez de ciclos de descarga--recarga de (Grecarga de (Gurur))

Valores de Gur SBP parecem ser de ordem de grandeza (semelhantes) dos valores retro-analisados de assentamentos de estruturas (o gráfico compara os valores medidos em vários sítiosem Perth com medições em 3 edifícios)

AMP NB

A

CB

A

St. George's Terrace

Will

iam

Stre

et

The Esplanade

She

arw

ood

Ct.

0 300Scale (m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300Shear Modulus Gur (MPa)

Dep

th b

elow

sur

face

(m)

S ite B

S ite M

S ite N

S ite W

AMP

CBA

NBA

142

Valores de GValores de Gur ur SBP e de GSBP e de Goo do SCPTdo SCPT

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500Shear Modulus G (MPa)

Dep

th b

elo

w s

urf

ace

(m)

Gur: Site B

Go: Site BGur: Site WGo: Site W, P1

Go: Site W, P2

Resultados de 2 sítios em Perth



143

Kings Park Formation (siltstone) - Shelley Bridge, Leach Highway (insertion-type pressuremeter, 20 MPa capacity)

data from Jewell and Fahey (1984)

In situ strengths may be significantly different from that measured on core samples in the laboratory.

Field strength may be lowerdue to scale effects and influence of discontinuities.

Field strength may be higherdue to drying, disturbance and stress relief on core samples in weak rock.

0 1 2 3 4 5 6

16

18

20

22

24

26

28

30

Shear Strength (MPa)

Dep

th (m

)

Pressuremeter testUnconfined compression test

Rock Rock StrengthStrength fromfrom PressuremeterPressuremeter

144

Ensaio com o Ensaio com o DilatómetroDilatómetro de de MarchettiMarchetti (DMT)(DMT)

http://www.marchetti-dmt.it/docfiles/tc16_dmt2001.doc



145

Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)

95 mm

60 mm

Membrana flexível de aço

1 mm de distância

PA PB

Fio de transmissão do bip e tubo pneumático

Registos de pressão de “liftoff” (PA) e pressão para deslocamento de 1 mm (PB). Estes pontos são sinalizados por “beep” a partir da caixa de controlo

146Membrana flexível de aço: com gás de expanão – pressão de medição do

“liftoff” (PA) e do movimento de 1 mm (PB)

Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)Dilatómetro de Marchetti (DMT)



147

Operação com o DMTOperação com o DMT

148

Medição d paressão de “liftoff” po (A) e da pressão para 1mm de expansão p1 (B)

Módulo Dilatométrico : ED µ (p1 - po) (tendo em comsideração o declive)

Usar M para na+alise de assentamentos

(Este ensaios é como que um pressiómetrosimplificado ?)

Ensaio com o Ensaio com o DilatómetroDilatómetro de de MarchettiMarchetti (DMT)(DMT)Ensaio com o Ensaio com o DilatómetroDilatómetro de de MarchettiMarchetti (DMT)(DMT)



149

Interpretação do DMT: Correlações básicasInterpretação do DMT: Correlações básicasS YM BOL DESCRIPTION BASIC DM T REDUCTION FORM ULAE

p0 Correc ted Fir st Rea ding p0 = 1.05 (A - ZM + A ) - 0.05 (B - ZM - B )

p1 Correc ted Se cond R eading p1 = B - ZM - B

ZM = Gage reading when v ente d to atm. If A & B are m eas ure d with the same gage us ed for curre nt rea dings A & B , set ZM = 0 (ZM is compe ns ated)

ID Material Inde x ID = (p1 - p0) / (p0 - u0) u0 = pre-ins ertion pore pre ssure

KD Horizontal Stre ss Index KD = (p0 - u0) / ' v0 ' v0 = pre -inse rtion over burden stres s

ED Dilatome ter Modulus ED = 34 .7 (p1 - p0) ED is N OT a Young's m odulus E. ED should be used only A FTER com bining it w ith KD (Str ess H is tory ). First obta in MDMT = R M ED, then e.g. E 0.8 MDMT

K0 Coeff. Ear th Pres sure in Situ

K0,DMT = (KD / 1.5)0.4 7 - 0.6 for ID < 1.2

OCR Ove rconsolida tion R atio OCR DM T = (0.5 KD)1.56 for ID < 1.2

cu Undra ined Shea r Strength cu,DMT = 0 .2 2 'v 0 (0 .5 KD)1.2 5 for ID < 1.2

Fr iction Angle saf e,DMT = 28° + 14.6° log KD - 2.1° log2 KD for ID > 1.8

ch Coeffic ie nt of Consolida tion ch,DMT A 7 cm2 / tf lex tf lex from A-log t DMT-A de cay curv e

kh Coeffic ie nt of Per meability kh = ch w / Mh (Mh K0 MDMT)

Unit We ight and D escr iption (see char t in Fig. 1 6)

MDMT = RM ED if I D 0.6 RM = 0.14 + 2.36 log KD

if I D 3 RM = 0.5 + 2 lo g KD if 0.6 < I

D < 3 R

M = R

M,0 + (2.5 - R

M,0) log K

D

with RM,0 = 0.14 + 0.15 (ID - 0.6)

if KD > 10 RM = 0.32 + 2.18 log KD

M Vertical Dra ined Constr aine d Modulus

if RM < 0.85 set RM = 0.85

u0 Equilibr ium Por e Pres sur e u0 = p 2 = C - Z M + A In fr ee-draining s oils

150

Perfis DMT e CPT, “Perfis DMT e CPT, “Bishop’sBishop’s SeeSee” Site, ” Site, PerthPerth

Dilatómetro (ensaios na UWA) CPT sísmico

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12

KD

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100

ED (MPa)

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150

M (MPa)

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60

qc (MPa)

0

5

10

15

20

25

0.1 1 10ID

Dept

h (m

)

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500

Go (MPa)

1200

ID KD ED (MPa) M (MPa) qc (MPa) Go (MPa)

Nota: ID não é a Compacidade Relativa (é um “índice de material” – quadro anterior)



151

Campo experimental CEFEUP/ISC’ 2 - Solo Residual Soils de GranitoBehaviour of Vertically Loaded Bored, CFA and Driven Piles - www.fe.up.pt/isc2

Resumo dos resultados de ensaios in situ

- 5 + 4 CPTU - 5 DMT

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

1 0.0

0 .0 2 .5 5.0 7.5 1 0.0 1 2 .5 1 5 .0

qc (MPa)

Depth

(m)

q t - CPT1 qt - CPT2qt - CPT3 qt - CPT4qt - CPT6

0 .0 0 .1 0.2 0.3 0 .4 0 .5

f s (M Pa)

ft - CP T 1 ft - C PT 2ft - CP T 3 ft - C PT 4ft - CP T 6

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

0 10 20 30 40 50 60

Ed (MPa)

Dep

th (

m)

DMT1 D MT2 DM T3

DMT4 D MT5

0 10 20 30 40 50

Kd

DM T1 DMT2 DM T3

DM T4 DMT5

0.1 1.0 10.0

Id

DMT1 DMT2 DMT3

DMT4 DMT5

clay silt sand

152

Ensaio de carga em Placa (PLT)Ensaio de carga em Placa (PLT)



153

Placa tipicamente de 0.3 to 0.6 m de diâmetro

Fundação típicaO ensaio PLT só é úti l para pequenas

fundações, logo para estruturas leves ou para

avaliações de deformabi lidades

superficiais

Ensaio de carga em Placa (PLT)Ensaio de carga em Placa (PLT)

E ?

154

VaneVane TestTest: Medição directa de : Medição directa de ssuu em argilasem argilas

Alonda de acoplamento a

meia volta(permite o torniquete

rodar ½ volta até accionar as palhetas)

Medidor de torque Vane grande para argi las moles; pequeno para argi las ri jas/duras



155

VaneVane TestTest: Registo do : Registo do torquetorque com a rotaçãocom a rotação

Friccção da vara Resistência de pico do vane

156

Parameter

Test ID su OCR E, G Liquefactionresistance

SPT B C C - - A

CPT B C B C B B

Seismic cone B C B C A B

Piezocone A B B A B A

Self boring pressuremeter A A A A A A

Insertion pressuremeter C B B C B C

Dilatometer B C B B B B

Field vane - - A B - -

Screw plate B C B B A B

Aplicabilidade – objectivo de selecção de ensaios mais ajustado (Wroth, 1984)

A = Elavada aplicabilidade, B = moderada aplicabilidade, C = aplicabilidade limitada

Ensaios Ensaios InIn SituSitu

ID: Compacidade relativa



157

Resistência de diferentes ensaiosResistência de diferentes ensaios

. Comparação entre cu (su ) determinads por DMT e outros ensaios - National Research Site of Bothkennar, UK (Nash et al. 1992)(cu e su são diferentes termos para resistência não drenada)

158

Ensaios de BombagemEnsaios de BombagemFuro de

BombagemFuros de observação

Nível aquífero original

Nível de água durante a bombagem – deve-se deixar estacionar

S1 S2

r1

r2



159

Ensaios de Permeabilidade em Furos de SondagensEnsaios de Permeabilidade em Furos de SondagensLefrancLefranc

160

Métodos GeofísicosMétodos GeofísicosMétodo Não-intrusivo para “observação para dentro

do maciço”Sísmicos: baseados no facto de tanto a as ondas de

compressão, “P”, como de corte (distorcionais), “S” terem diferentes velocidades de propagação nos terrenos e, ainda reflectirem em materiais de diferentes densidades e rigidezes.



161

Métodos GeofísicosMétodos GeofísicosO CPT sísmico, os SASW Surface Wave são exemplos

MagnéticosGravitacionaisConductividade eléctricaRadar (“ground penetrating radar”, GPR)

Source

Horizontal Receiver

Direct S Wave

Source

Horizontal Receiver

Direct S Wave

162

Reflexão sísmicaReflexão sísmica

Reflexões de ondas sísmicas (ondas de compressão) geradas a partir da superfície chegam aos geofónescom tempos do percurso desde a fonte. Se conhecemos a velocidade do som na terra e a geometria do trajecto da onda, podemos converter o tempo de percurso em profundidade. Medindo o tempo de chega em pontos sucessivos (alinhados geralmente) na superfície, pode-se gerar um perfil estratigráfico em profundidade, pelos menos de estratos de certa velocidade.

É um conceito básico!



163


Na prática, a velocidade de do som nos terrenos varia imenso. Areia seca pode ter velocidade de 250 m/s ou menos. No outro extremo, um granito são pode ter velocidades superiores a 6000 m/s.

Quantos mais camadas existirem entre a superfície e a cama de interesse (suposto firme), tanto mais complicado se torna o mapeamento de velocidades. Existem vários métodos para contornar, recorrendo-se mesmo à análise de refracção, a medidas geofísicas entre furos, hipóteses litológicas, e análises de tempos de reflexão com o pressuposto de crescimento. Geralmente, a combinação resulta melhor.

164

www.geosphereinc.com




165

Sísmica RefracçãoSísmica Refracção

Quando a onda sonora a travessa uma interface entre camadas de duas diferentes velocidades, a onda é refractada. Ou seja, o ângulo da direcção da onda que se afasta dessa interface é alterado em relação ao ângulo incidente, dependendo das velocidades relativas; passando de uma camada de baixa velocidade para um de alta, a onda que incide com um determinado ângulo (o ângulo "crítico") será refractada ao longo da superfície da cama inferior.

À medida que se vai propagando a onda refractada atira ondas para a camada superior, que chegam aos geofónes na superfície.

166

O som movimenta-se mais rápido na camada inferior, por isso em certo ponto, a onda refractada ao longo da superfície será ultrapassada pela onda directa. Esta onda refractada é assim a primeira a chegar aos geofónes subsequentes, pelo menos até ser ultrapassada por uma onda mais rápida vinda de maior profundidade. A diferença no tempo de percolação desta onda entre geofónes depende da velocidade da da cama inferior. Se essa camada é plana e nivelada, as chegadas das refractadas formam uma linha recta cujo declive corresponde directamente à velocidade. O ponto onde a refracção ultrapassa chega directa é conhecida com "distância crítica", e pode ser usada para estimar a profundidade da superfície de refracção.

Sísmica RefracçãoSísmica Refracção



167

Refracção Sísmica Refracção Sísmica

168

Refracção SísmicaRefracção Sísmica

Geofónes verticaisFonte(Placa)

Rocha: Vp2

ASTM D 5777

Solo: Vp1

oscilascópio

x1x2x3x4

t1t2t3t4

Nota: Vp1 < Vp2

zR

Determinar a profundidade da camada rochosa, zR



169

Geofónes verticaisFonte(Placa)

Rocha: Vp2

Solo: Vp1

osciloscópio

“O caminho mais curto não é necessariamente o mais rápido”

Caminho mais rápido é o mais rápido

O caminho mais rápido NÃO é o mais curto

Refracção SísmicaRefracção Sísmica

170

Refracção sísmicaRefracção sísmica

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

Tra

vel T

ime

(sec

on

ds)

0 10 20 30 40 50 Distance From Source (meters)

Horizontal Soil Layer over Rock

Vp1 = 1350 m/s

1

Vp2 = 4880 m/s

1z x

2 V VV V

cc p2 p1

p2 p1

Porf. à Rocha:zc = 5,65 m

xc = 15,0 m

Valores xValore

s t



171

Aplicações de Sísmica de Reflexão e RefracçãoAplicações de Sísmica de Reflexão e Refracção

A sísmica de reflexão e de refracção têm numerosas potencialidades em aplicações tanto em problemas de geoambiente com de geomecânica, incluindo:

Profundidade e caracterização do “bedrock” Definição de condutas e canais enterrados

Profundidade de nível aquífero

Profundidade e continuidade de estratigrafia Ripabilidade/escavabilidade

Mapeamento de descontinuidades (como falhas) Localização de eventos cársicos

172

Ensaios com Ondas SuperficiaisEnsaios com Ondas Superficiais

Métod não invasivo baseado na dispersão geométrica de ondas Rayleigh que são ondas que se propagam na superfície resultado de um impacto vertical ou de uma fonte de vibração contínua (como ondas do mar).

A relação entre a velocidade de propagação das ondas Rayleigh e a frequência pode ser determinada experimentalmente analisando o movimento das partículas induzidas na superfície por propagação.



173

Ensaios com Ondas SuperficiaisEnsaios com Ondas SuperficiaisAs ondas sísmicas são geradas usando ou fontes de impacto ou vibradores e são detectadas por geofónes (basicamente medidores de velocidade vertical). Os movimentos do terreno registados são então analisados no domínio das frequências para estimar a curva experimental de dispersão (a relação entre frequência e a velocidade).A dispersão da curva experimental é então usada num processo de inversão para estimar a variação em profundidade da velocidade de propagação de ondas distorcionais, que estão ligadas aos valores de rigidez de baixas deformações do solo:

O processo de inversão baseia-se na propagação numérica de ondas Rayleigh em meios linear-eláticos estratificados.

2so VG

174

Perfil de Rigidez

VS1

VS2> VS1

VS3> VS2

Velocidade de fase VR

Com

pr. d

e on

da

Comp. Onda curta = Alta frequência

Z

Movimento vertical das partículas

Comp. Onda longo = Baixa frequência

Z

PROBLEMA INVERSO

Experimental

VR

Frequência f

fVR

Curva de dispersão

?Dispersão Geométrica Dispersão Geométrica

A velocidade de cada comprimento de onda depende de uma profundidade distinta no terreno. Assim se reconstrói o perfil de rigidez em profundidade da curva de dispersão.



175

Campo Experimental Campo Experimental em em PerthPerth, , AustraliaAustralia

Fonte de martelo de impacto source Heavy weight source

176

Perfil de velocidade dePerfil de velocidade deondas ondas distorcionaisdistorcionais

Ajuste da curva de dispersão

Inversão Automática: Algoritmo de mínimos quadrados ponderados

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100

frequency [Hz]

pha

se v

elo

city

[m

/s]

experimental

numerical

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800

Vs [m/s]

de

pth

[m

]

2so VG



177

Comparação com outros campos experimentaisComparação com outros campos experimentaisA localização dos ensaios é na vizinhança da sondagem CB5 e do cone sísmico SC2 (S-CPT)

O log da sondagem CB5 reporta um firme de siltito a profundidade de 35m, num muito bom ajuste com o perfil de rigidez.

A comparação com o SCPT mostra que a camada superficial mais rígida é detectada com sucesso e as velocidades são ligeiramente sobrestimada.

Com os ensaios de ondas superficiais não foi possível detectar uma camada mais fraca acima do firme rochoso. Tal é expectável dada a baixa de resolução em profundidade.

SASW

178

Métodos eléctricos Métodos eléctricos A propriedades eléctricas estão entre as mais úteis como parâmetros geofísicos na caracterização de materiais terrosos. Variações de condutividade eléctrica (ou o seu inverso, a resistividade) tipicamente correlaciona bem com variações de saturação, condutividade do fluído, porosidade, permeabilidade, e presença de metais. Dependendo do sítio, estas variações podem ser usadas para localizar plumas contaminantes, água salgada, unidades estratigráficas, cavidades, fracturas, estruturas e tanques enterrados, e outras características que são identificáveis pelas propriedades eléctricas contrastantes.

A condutividade do terreno pode ser medida por método de resistividade galvânico, ou por indução electromagnética (EM). Esta requer que não haja directo contacto com a superfície do soloe é de aquisição mais rápida que a resistividade; esta, porém, dá melhor resolução vertical e é ligeiramente menos sensível a fontes de ruído, tais com barreiras, edifícios ou linhas de tensão.



179

Indução Electromagnética (EM)Indução Electromagnética (EM)

Combinação em 3-D deduzido de Indução electromagnética

180

Aplicações de Métodos EléctricosAplicações de Métodos Eléctricos

EM e Resistivida pode ser aplicada a uma variedade de problemas de geoambiente, águas freáticas, geotécnicos, e trabalhos de arqueologia, incluido:

Localização de objectos enterrados, tanques, valas…

Localização de depósitos de rejeitos

Delimitação de plumas contaminantes

Porfundidade de níveis aquíferos e mapeamento

Continuidade estratigráfica e interfaces

Mapeamento de falhas e fracturas

Localização de estruturas cársicas«



181

Investigação in situ geoambientalInvestigação in situ geoambientalA investigação in situ geoambiental tem a ver com

matérias contaminantes a poluentes e soluções de remediação, com particular incidência na forma como os poluentes migram

Involve amostragem de solos e água freática – muito similar às investigações correntes (logo envolve o mesmo profissional com algumsas adaptações que podem advir de consultores)• MAS requer standards muito elevados de limpeza de meios (a ponto de a amostra refectir a situação verdaeira do terreno)

• E requer (correntemente) atenção ao risco de saúde pública e das pessoas que lidam com o trabalho

Recorre-se muito a métodos geofísicos, e a sistemas de amostragem especiais

182

Investigação in situ em offshoreInvestigação in situ em offshoreA investigação in situ em fundações de offshore é

semelhante à prática on-shore, excepto nos custos e dificuldade dos processos

Os resultados dos ensaios sísmicos indicam por vezes camadas aproximadas em depósitos profundos mas• Os métodos sísmicos são usados para determinar as características dos reservatórios, mas têm pouca certeza dada a profundidade

• Para propósito de investigação in situ, é necessário métodos sísmicos de maior resolução que os correntes

A prática corrrente é a de tentar obter amostras “indeformadas” de tubos para ensaios de laboratório, associados a ensaios in situ com CPT para perfilar• muito difícil com grandes profundidades (> 1000 m já são comuns)

Os trabalhos são só feitos por empresas especilaistas com navios de sondagens construídos para o efeito



183

Plataformas de investigaçãoPlataformas de investigação

A maior parte do custo da investigação Barcos e plataformas móveis equipados com posicionamentos dinâmicos (DP) e levantando com os sistemas de compensação.

Barco de sondagensA$100K/dia

Nivelamentoaté A$150K/dia

Semi-submarinoA$275K/dia

184

Bathy metrymapping

Sea f loor mapping

Sub-seabed continuous seismic profiling



185

O perfil sísmico pode ser usado para fazer um modelo estratigráfico: pode identificar a interface com o topo da rocha (linha semi-circular com as marcas), e diferentes tipos de solos: areias argilosas, argilas bolas etc …

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