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Resp. Prof. A. Viana da Fonseca (DEC-FEUP) Com colab. do Prof. Martin Fahey (UWA) Prospecção e Caracterização Geotécnica Fundações – 5ºAno – Mestrado em Engª Civil da FEUP Page 1 Sondagens exploratórias: reconhecimento Amostragem Ensaios in situ e em laboratório Geofísica António Viana da Fonseca MIEC, Fundações, 2009-10 PROSPECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA 2 Prospecção e caracterização geotécnica Prospecção 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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    Sondagens exploratórias: reconhecimentoAmostragemEnsaios in situ e em laboratórioGeofísica

    António Viana da Fonseca

    MIEC, Fundações, 2009-10

    PROSPECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA

    2

    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

    4

    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

    6

    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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    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

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    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

    24

    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

    28

    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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    29

    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

    32

    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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    33

    Parte do Mapa Geológico de Perth

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

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    35

    Informação de sondagens enquadrada

    no mapa geológico de

    Perth

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    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

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    Conquista em aterros desde 1838

    40

    Clima e Características de AlteraçãoClima e Características de Alteração

    Porto, Oeste da Europa Perth, Oeste da Australia

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    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)

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    Page 22

    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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    45

    PORTOS-Billiton’s Port Hedland Iron Ore Terminal

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    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

    50

    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?

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    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 ??

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    Depósitos superficiais

    Geologia SimplificadaGeologia Simplificada

    Falhas

    Xistos

    Arenitos e xistos interestratifcados

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    57

    Análise da massa definida pela secçãoAnálise da massa definida pela secção

    58

    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

    64

    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

    66

    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.

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    67

    Excavação de caves em ChicagoExcavação de caves em Chicago

    68

    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

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    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

    70

    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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    71

    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)

    72

    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

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    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

    74

    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”

    76

    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.

    78

    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.

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    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 profundida- des maiores com braços especiais)

    80

    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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    81

    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)

    82

    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)

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    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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    85

    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.

    86

    Amostragem à rotaçãoAmostragem à rotação

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    87

    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

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    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

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    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

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    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 (??)

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    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

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    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)

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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)

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    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

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    Page 57

    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)

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    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

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    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

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    Page 60

    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

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    Page 61

    121

    Outras Formas de Ensaio Sísmico para obter GOutras Formas de Ensaio Sísmico para obter GooCone Sísmico SCPT é só uma forma conveniente de

    “ensaio downhole” Pode-se ainda realizar “crosshole” em que as ondas

    distorcionais são enviadas entre dois furosEm qualquer dos casos, a medição do tempo de

    percurso entre certa distânciaEm 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 + x2R22 = z22 + x2

    x

    Martelo

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    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

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    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

    Tens

    ão v

    erti

    cal e

    fect

    iva,

    ' 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

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    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/qc4 400 4 a 2410 1000 3 a 1220 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

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    Page 65

    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

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    Page 66

    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

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    Page 67

    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)

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    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

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    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

    14000.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

    P1- T4 testNumerical 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 75NSPT

    CH1+CH2 CH3+CH4SPT-SE5 SPT - SC1

    (2051)

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    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 10Cavity strain (%)

    Cavi

    ty p

    ress

    ure

    - uo

    (kP

    a)

    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)

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    Page 71

    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 NBA 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 BS ite MS ite NS ite WAMPCBANBA

    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

    elow

    sur

    face

    (m)

    Gur: Site BGo: Site BGur: Site WGo: Site W, P1Go: Site W, P2

    Resultados de 2 sítios em Perth

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    Page 72

    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

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    Page 73

    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)

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    Page 74

    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)

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    Page 75

    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 cm

    2 / 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 RM = RM,0 + (2.5 - RM,0) log KD

    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)

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    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)

    Dept

    h (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)

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    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

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    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

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    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

    r1r2

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    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.

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    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!

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    Reflexão sísmicaReflexão sísmica

    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

    Reflexão sísmicaReflexão sísmica

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    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

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    Refracção Sísmica Refracção Sísmica

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    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

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    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

    Trav

    el T

    ime

    (sec

    onds

    )

    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 xVal

    ores

    t

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    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.

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    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.

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    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 deond