Obras Geotécnicas

Mecânica dos Solos e das Rochas (3º/2ºS)

Obras Geotécnicas

Mecânica dos Solos e das Rochas (3º/2ºS)

Análise de Estruturas Geotécnicas (4º/1ºS)Análise de Estruturas Geotécnicas (4 /1 S)

Obras Geotécnicas (4º/2S)( / )

Área de Especialização – Geotecnia

4º ano – 2º semestre – Estruturas de Betão II

5º ano - 1º Semestre

Engenharia Sísmica Geotécnica

Escavações e Obras Subterrâneas

Fundações e Obras de Aterro

Modelação Avançada em GeotecniaModelação Avançada em Geotecnia

5º ano – 2º Semestre – 2 opções livres

Obras GeotécnicasDECivil – Dep. Engª Civil e Arq.

Obras Geotécnicasp g q

Jaime Santos (responsável)Alexandre PintoAlexandre PintoRui Gomes

DEMG – Dep. Engª Minas e GeorrecursosEdite Martinhod a oManuel Francisco Costa PereiraJosé Manuel MarquesJosé Manuel MarquesAntónio Maurício

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Programa da disciplinaPrograma da disciplina

Reconhecimento e prospecção geotécnica. As obras geotécnicas. Sondagens mecânicas. Cortes estratigráficos. Ensaios in situ e sua relação com os ensaios de laboratório na definição de parâmetros de cálculo. Estabelecimento de perfis geotécnicos.

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Programa da disciplinaPrograma da disciplina

Aplicação dos conceitos da mecânica das estruturas geotécnicas e da verificação da

ésegurança ao projecto geotécnico de estruturas geotécnicas mais frequentes: suportes do terreno e fundações superficiais e profundas (estacas).

Referência aos casos de túneis, escavações profundas, barragens de aterro, compactação ...profundas, barragens de aterro, compactação ...

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AvaliaçãoAvaliaçãoTrabalhos (4,5 val.): ( , )

compactação de soloscartografiacartografiarelatório de 1 aula de campo

Exame (15,5 val.)Nota mínima do exame (6 2 val =8/20=40%)Nota mínima do exame (6,2 val.=8/20=40%)

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Volumetria e gravimetriaVolumetria e gravimetria

V - volume total Vs - volume das partículas sólidas

Va Ar Wa

Vv - volume dos vazios Vw - volume da água Va - volume do ar

Vw Água Ww V

Vv

W - peso total Ws - peso das partículas sólidas

Partículas Vs Ws

ólid

V W

Ww - peso da água Wa - peso do ar (Wa = 0)

sólidas

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Volumetria e gravimetriaa) Relações volumétricasteor em água:

Volumetria e gravimetriaporosidade:

Alguns parâmetros índice e relações úteis

V ( )1

Alguns parâmetros índice e relações úteis

s

v

VV

e = ( )wdht +γ=γ=γ 1

( ) 100×= wr V

V%S V

We

G sw

sd =γ

+=γ

1vV

( ) W

Ve+1

G( ) 100×=s

w

WW

%w we

GS s

r =

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Parâmetros índice

Parâmetros índice:

Parâmetros índice

Parâmetros índice:• curva granulométrica, d10, d60 ...• densidade das partículas - G• densidade das partículas - Gs• limites de consistência – wL; wP; IP

Solos finosÍ di d li id (I )

Solos granularesC id d l ti (I )Índice de liquidez (IL)

IL=(w-wP)/(wL-wP)Compacidade relativa (ID)

ID=(emáx-e)/(emáx-emín)

Índice de consistência (Ic)I ( )/( )

8Ic=(wL-w)/(wL-wP)

Compactação de Soloso pa ação d o o

CompactaçãoCompactaçãoA compactação consiste no processo mecânico p ç pque, através de uma aplicação repetida e rápida de cargas ao solo, conduz a uma diminuição do g çseu volume, (diminuição do índice de vazios e aumento do peso volúmico seco).p )

Redução de volume por expulsão de ar dos vazios do solodo solo.

Sem alteração significativa do teor em água (nemSem alteração significativa do teor em água (nem alteração do volume das partículas sólidas).

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CompactaçãoCompactaçãoA compactação provoca um aumento do grau de

ãsaturação visto que o volume de vazios sofre umadiminuição por expulsão do ar.

Contudo a expulsão de todo o ar, não é possível,verificando-se que fica sempre algum arq p gaprisionado entre os grãos de solo.

A área de contacto das partículas sólidas aumentaA área de contacto das partículas sólidas aumenta, aumentando assim a resistência do solo e diminuindo a sua deformabilidade Além disso odiminuindo a sua deformabilidade. Além disso, o solo torna-se menos permeável.

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CompactaçãoCompactação  ( )γdPeso volúmico seco

Curva de saturaçãoCurva de compactaçãoCurva de saturação

(relação w-γd ; Sr=100%)Curva de saturação

γdmáx

Curva de compactação

(relação w-γ experimental)(relação w γd experimental)

(wópt , γdmáx)

ramo seco ramo húmido

12Teor em água ( )wwópt

CompactaçãoCompactação( )γdPeso volúmico seco

Curva de compactaçãoCurva de saturaçãoCurva com =90%Sr

Curva com =80%Sr

γdmáx

O óptimo correspondeO óptimo corresponde habitualmente a graus de saturação entre 85 e 95%ç

ramo seco ramo húmido

13Teor em água ( )wwópt

CompactaçãoCompactaçãoCurva de compactação (E1)

Peso volúmico seco ( )γd

p ç ( )

Curva de compactação (E2)

Curva de saturação

E2>E1

Efeito da energia de compactaçãog ç

E2>E1 → wópt2 < wópt1

E2>E1 → γd2máx > γd1

máx

14Teor em água ( )w

CompactaçãoCompactação( )γdPeso volúmico secoPeso volúmico seco ( )γd

Curva de compactaçãoCurva de saturação

Areia siltosaAreia siltosa

Areia argilosaCurvas de compactação de solos com finos

Argila

Curvas de compactação de solos com finos

Teor em água ( )wTeor em água ( )w

15Solos com finos Areia uniforme

CompactaçãoCompactaçãoPropriedades dos solos compactados do lado seco:p p

resistência ao corte elevada, aumentando com a energia de compactação;energia de compactação;variações da pressão da água nos vazios do solo praticamente nula, quando sujeito a carregamento;eventuais fissuras;expansão/colapso do solo (e redução daexpansão/colapso do solo (e redução da resistência), quando sujeito a aumento do teor em água

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em água.

CompactaçãoCompactaçãoSolos compactados do lado húmido:p

menor resistência e pouco sensível à variação da energia;energia;eventual ocorrência de pressão da água elevada nos vazios do solo;solo com comportamento plástico;solo com comportamento plástico;praticamente não existe expansão/colapso do solosolo.

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CompactaçãoCompactaçãoEnsaio de compactação (LNEC E197-1966)p ç ( )

O ensaio consiste na compactação de umaamostra de solo num molde determinando se oamostra de solo num molde, determinando-se oteor em água e o peso volúmico seco. A repetiçãodeste procedimento para diferentes quantidadesdeste procedimento para diferentes quantidadesde água adicionadas ao solo permite obter a curvade compactaçãode compactação.

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CompactaçãoQuadro 1 – Ensaios Proctor (E197-1966 LNEC)

Tipos de compactação

Compactaçãop p ç

Leve (Proctor normal)

Pesada (Proctor modificado)

diâmetro (mm) 102 152 102 152 Molde altura (mm) 117 114 117 114

Pilão 2,49 kg 2,49 kg 4,54 kg 4,54 kg Altura de queda 30,5cm 30,5 cm 47,5 cm 47,5 cm Número de camadas 3 3 5 5 Número de pancadas por camada 25 55 25 55p p

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CompactaçãoQuadro 1 – Ensaios Proctor (E197-1966 LNEC)

Tipos de compactação

Compactação

Leve (Proctor normal)

Pesada (Proctor modificado)

diâmetro (mm) 102 152 102 152 Molde altura (mm) 117 114 117 114

Massa do pilão (W) 2,49 kg 2,49 kg 4,54 kg 4,54 kg Altura de queda (h) 30,5cm 30,5 cm 47,5 cm 47,5 cm Número de camadas (n) 3 3 5 5 Número de pancadas por camada (N) 25 55 25 55

Energia específica de compactação

hWnNE ×××=

VE ≈ 0,6 MNm/m3 (compactação leve)

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E ≈ 0,6 MNm/m (compactação leve)E ≈ 2,7 MNm/m3 (compactação pesada)

CompactaçãoCompactação

Molde pequeno: % material retido #4 (4,75 mm) ≤ 20%

Molde grande: em todos os casos e aplicável até % material retido #3/4” (19 mm) ≤ 20%

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CompactaçãoCompactaçãoEm campo, a energia de compactação pode serp , g p ç ptransmitida ao solo por: pressão; impacto evibração. Os equipamentos de compactação sãoç q p p çtambém divididos em três categorias:

cilindros estáticos compreendendo os cilindros decilindros estáticos, compreendendo os cilindros de rasto liso de rodas de aço, os cilindros de pneus e os cilindros de pés de carneiro;os cilindros de pés de carneiro;cilindros vibradores, com as mesmas variantes da t i t icategoria anterior;

equipamentos de percussão.22

CompactaçãoCompactaçãoCilindro de rasto li ( tátiliso (estático ou com vibração)

Os cilindros estáticos de rasto liso são utilizados em solos Os cilindros estáticos de rasto liso são utilizados em solos granulares (cascalhos e areias). Como a eficiência destes

cilindros em profundidade é pequena, não devem ser

23utilizadas espessuras de camadas superiores a cerca de 15cm.

CompactaçãoCompactaçãoCilindro de pés

dde carneiro (estático ou com

vibração)vibração)

Os cilindros estáticos de pés de carneiro são apropriados para a compactação de solos finos, em particular dos solos

argilosos, em camadas com espessuras entre 15 e 30cm.

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CompactaçãoCompactaçãoCilindro de

( ápneus (estático ou com

vibração)vibração)

Os cilindros estáticos de pneus podem ser utilizados para a compactação de diferentes tipos de solos, excepto para as

areias uniformes.

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CompactaçãoCompactaçãoOs cilindros vibradores têm tido um grande desenvolvimentoOs cilindros vibradores têm tido um grande desenvolvimentonos últimos anos. É hoje possível dispor de cilindros vibradorescom possibilidade de ajuste da frequência e da amplitude dep j q pvibração, maximizando o rendimento do equipamento numagama muito diversificada de tipos de solos.

Além disso, a vibração permite aumentar a eficiência dacompactação em profundidade podendo as espessuras decamadas atingir 0,6 a 0,8m. Estes equipamentos têm o seumaior campo de aplicação em todos os tipos de solosg an la es incl indo as a eias nifo mesgranulares, incluindo as areias uniformes.

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CompactaçãoCompactaçãoAterro ExperimentalAterro Experimental

Para permitir o melhor aproveitamento do equipamento det ã di í l d t i ã d l icompactação disponível e a determinação dos valores mais

convenientes para o número de passagens do cilindro, o teorem água do solo e espessura das camadas é aconselhável aem água do solo e espessura das camadas, é aconselhável aconstrução de aterros experimentais com os solos que sãoutilizados na obra.

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CompactaçãoCompactaçãoControlo da compactaçãoControlo da compactação

O controlo da compactação deve ser feito a dois níveis:

durante a execução – o controlo deve incidir sobre agranulometria do material, o equipamento utilizado, o númerode passagens, a espessura da camada, a quantidade de águaadicionada, etc;

após a compactação – o controlo é realizado comparando osresultados obtidos em campo com os determinados em

ê óensaios de referência realizados em laboratório.

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CompactaçãoCompactaçãoControlo da compactação:Controlo da compactação:

Teor em água de compactação: Intervalo de valores próximosd ó tido óptimo

Grau de compactação (GC)Grau de compactação (GC)

campo

máx

campodGCγ

= máxdγ

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CompactaçãoCompactaçãoDeterminação do teor em água (w):Determinação do teor em água (w):

1) Métodos por secagem do solo

método da estufa (24h) e método dos infravermelhos (30min)

w=(W W )/W =W /Ww=(W-Ws)/Ws=Ww/Ws

2) Outros métodos mais expeditos

método do álcool, o método do speedy e o método radiactivo

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CompactaçãoCompactaçãoMétodo do speedy

O método consiste em fazerreagir o solo com o carbonetode cálcio no interior dagarrafa speedy, libertando ogás acetileno que provoca ogás acetileno que provoca oaumento de pressão nointerior da garrafa. Essainterior da garrafa. Essapressão é uma medida doteor em água do solo.

Aplicação apenas a solos granulares Se o solo tivergranulares. Se o solo tiver finos, a precisão é menor, dada a dificuldade em

31separar as partículas do solo.

CompactaçãoCompactaçãoMétodo radiactivo (nuclear)Método radiactivo (nuclear)

A medição do teor em águaf i ã dfaz-se por emissão deneutrões rápidos no solo, quepor colisão com os átomos depor colisão com os átomos dehidrogénio se transformamem neutrões lentos. Ummaior número de neutrõeslentos registados no receptorco esponde á assim a mcorresponderá, assim, a ummaior teor em água.

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CompactaçãoCompactaçãoDeterminação do peso volúmico (γh=γd(1+w)=W/V):

1) Método da garrafa de areia e método do balão(densitómetro de borracha). Consistem na determinação dovolume de uma cavidade aberta no terreno. A pesagem e adeterminação do teor em água do solo retirado da cavidadeconduzem ao peso volúmico secoconduzem ao peso volúmico seco.

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CompactaçãoCompactaçãoDeterminação do peso volúmico (γ =γ (1+w)=W/V):Determinação do peso volúmico (γh=γd(1+w)=W/V):

2) Método do volume de água deslocado permite determinar ol d t lhid d t tidvolume de uma amostra colhida do terreno e revestida com

parafina. A pesagem e a determinação do teor em águaconduzem ao peso volúmico seco O método só é aplicável aconduzem ao peso volúmico seco. O método só é aplicável asolos com uma certa “coesão” que possibilita a formação detorrões.

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CompactaçãoCompactaçãoDeterminação do peso volúmico ( (1+ ) W/V)(γh=γd(1+w)=W/V):

3) O método do extractor ou doanel volumétrico consiste nacravação no terreno de um anelcom dimensões conhecidas Comcom dimensões conhecidas. Coma pesagem e a determinação doteor em água obtém-se o pesoteor em água obtém se o pesovolúmico seco.

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CompactaçãoCompactaçãoMétodo radiactivo (nuclear)Método radiactivo (nuclear)

O método radiactivo consiste nai ã d i lemissão de raios gama no solo,

com determinada energia,procedendo-se à contagem dosprocedendo se à contagem dosraios que chegam ao receptorsem perda de energia. Acontagem será tanto maiorquanto mais denso estiver osolosolo.

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CompactaçãoCompactaçãoMétodo radiactivo (nuclear)Método radiactivo (nuclear)

Os equipamentos disponíveis(h bit l t d i d(habitualmente designados porgamadensímetros) incorporamas fontes de radiação gama e deas fontes de radiação gama e deneutrões, permitindo assim adeterminação do peso volúmicoseco e do teor em água.

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CompactaçãoCompactaçãoMétodo radiactivo (nuclear)Método radiactivo (nuclear)

O tempo de medição é de cercad 1 i t lde 1 minuto e o alcance emprofundidade pode atingirhabitualmente os 30cmhabitualmente os 30cm.

É necessário aferir a curva decalibração do aparelho para ocalibração do aparelho para otipo de solo a ser ensaiadoatravés da comparação directaatravés da comparação directacom outros métodos.

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