UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA APOSTILA DE GEOLOGIA 7: INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO; PROPRIEDADES DAS ROCHAS

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA DEPARTAMENTO DE GEOCIÊNCIAS APOSTILA DE GEOLOGIA 7: INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO; PROPRIEDADES DAS ROCHAS PROF. Luiz Carlos Godoy PONTA GROSSA /2005

2 8 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO Investigações de Superfície Interpretação de imagens Mapeamento Geológico Investigações Mecânicas Poço e trincheira de inspeção Sondagem a varejão Sondagem a trado Sondagem a percussão Ensaio SPT Ensaio de lavagem por tempo Critérios de paralisação da sondagem Coleta de amostras Índice de resistência à penetração Número de furos Interpretação dos resultados Sondagem rotativa Apresentação dos resultados Investigações Geofísicas Planejamento Aplicabilidade Métodos elétricos Eletrorresistividade Sondagem elétrica vertical Caminhamento elétrico Radar de penetração no solo Métodos sísmicos Sísmica de refração Métodos potenciais Magnetometria Gravimetria PROPRIEDADES DAS ROCHAS Propriedades físicas Cor Peso específico Porosidade Permeabilidade Absorção Dureza Propriedades mecânicas Resistência à compressão Resistência ao choque Resistência ao desgaste Resistência ao corte Comportamento ante a britagem Propriedades geotécnicas das rochas Grau de alteração Grau de resistência à compressão simples Grau de consistência ou de coerência Grau de fraturamento BIBLIOGRAFIA

3 118 8 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO A construção de obras civis, a elaboração de estudos ambientais e a definição de jazidas minerais são alguns exemplos de atividades que necessitam de trabalhos para caracterização das condições geológico-geotécnica dos materiais de superfície e de subsuperfície visando: a) A determinação da extensão, profundidade e espessura das camadas do subsolo até uma determinada profundidade; b) A descrição das características das diversas camadas do subsolo (composição mineralógica e litológica, textura, consistência, cor e outras características); c) A determinação da profundidade do nível freático, aqüíferos artesianos ou suspensos; d) A obtenção de Informações sobre a profundidade da superfície rochosa e sua classificação, estado de alteração, grau de fraturamento, etc.; e) A obtenção de dados sobre propriedades mecânicas e hidráulicas dos solos e/ou rochas (compressibilidade, resistência ao cisalhamento, porosidade, permeabilidade, etc.). O conhecimentos destes dados permitirão: a) Calcular os volumes necessários para remoção ou escavação; b) Definir a necessidade de tratamento de estabilização dos maciços; c) Delimitar e cubar jazidas minerais; d) Estabelecer o local mais apropriado para o posicionamento das estruturas das obras civis. É importante que estejam bem definidas, desde o início das atividades, as principais características geológicas da área, para orientar o projeto segundo as aptidões naturais do local, propiciando a elaboração de um empreendimento econômico, seguro e harmônico com a natureza do terreno. As principais técnicas utilizadas para a investigação de superfície e de subsuperfície são: interpretação de imagens (sensoriamento remoto), mapeamento geológico, investigações mecânicas (métodos diretos) e ensaios geofísicos. 8.1 Investigações de Superfície Interpretação de imagens A interpretação de imagens obtidas por sensoriamento remoto (fotografias aéreas e imagens orbitais) é um recurso técnico indispensável para os trabalhos de mapeamento geológico-geotécnico, por ser um método relativamente barato e rápido. Todavia, esse recurso técnico não dispensa os trabalhos de campo. É oportuno salientar a diferença entre a fotointerpretação geológica comum e a geológicogeotécnica. Embora ambas definam suas unidades a partir das feições dos terrenos, observáveis nas imagens, para a Geologia tais feições definem unidades litoestratigráficas e estruturais, enquanto que, para a Geologia de Engenharia, as unidades são definidas levando em conta a aptidão ou qualidade das rochas ou solos para fins de uso. Para a Geologia de Engenharia a interpretação de imagens tem por objetivo obter informações sobre a distribuição das rochas e solos, as características dos matérias ocorrentes na área de interesse, as estruturas geológicas, a resistência mecânica destes materiais, a permeabilidade e o grau alteração das rochas, etc. A técnica de interpretação de fotografias aéreas preto e branco, ou fotointerpretação, envolve o reconhecimento de vários elementos como tonalidade e textura das imagens, morfologia ou forma de relevo, características da rede de drenagem, forma dos vales, vegetação, etc. A tonalidade permite identificar alguns tipos litológicos (quartzitos, calcários, aluviões, etc.) e a distinção entre terrenos constituídos por diferentes solos. A textura (fina, rugosa ou linear), associada às tonalidades, são suficientes para caracterizar unidades geológicas ou geológico-geotécnicas. A forma de relevo pode refletir diferenças de litologias, atitudes de estratos, características estruturais, além de diferentes suscetibilidades dos terrenos aos processos erosivos. A forma do perfil transversal dos vales reflete características do processo erosivo. A profundidade dos vales dá indícios da altura crítica do material, ante a possibilidade da ocorrência de escorregamentos. Os padrões de drenagens em planta (dendrítica, treliça, retangular, radial, paralela e anelar) muitas vezes revelam os condicionantes estruturais e as propriedades das formações geológicas. A fotointerpretação pode ser dificultada no caso de densas coberturas vegetais, porém existem situações em que a própria vegetação fornece importantes informações: unidades diferentes de solos ou estruturas geológicas lineares podem estar refletidas na distribuição dos diferentes tipos de vegetação.

4 Os primeiros trabalhos de fotointerpretação resultam em mapas fotointerpretativos preliminares, fundamentais para a programação dos trabalhos de campo, cujos resultados permitem a elaboração dos produtos finais Mapeamento Geológico O mapeamento consiste no caminhamento geral pela área de interesse para que se tenha acesso direto aos materiais que estão expostos na superfície. Permite identificar os litotipos e delimitar os diferentes corpos presentes na área, caracterizar qualitativa ou quantitativamente as feições estruturais e coletar amostras para ensaios de laboratório. A construção de grandes obras civis e o uso adequado do solo, exigem o conhecimento prévio das condições geológico-geotécnicas dos terrenos. O mapeamento é um método de investigação que procura identificar tais condições, caracterizando as diferentes unidades presentes na área e o seu comportamento, quando submetidas a diferentes solicitações. É necessária a associação entre as características dos elementos geológicos e os problemas geotécnicos, para entendimento dos problemas técnicos e das causas de acidentes ocorridos ou passíveis de ocorrer. A presença de argilominerais expansivos, falhas geológicas, carst, etc. podem interferir nos custos e na própria segurança do empreendimento. A carta geotécnica, produto do mapeamento geológico-geotécnico, é uma forma de representar as informações dos terrenos, tanto para as obras civis como para subsidiar a elaboração de planos de uso e ocupação do solo. Nas construções de obras civis são confeccionados mapas ou cartas geotécnicas, em escala de detalhe (1:100, 1:20), das fundações, frentes de escavação, taludes, trincheiras, poços, etc., visando adequar os projetos de engenharia às condições locais. 8.2 Investigações Mecânicas Os processos de investigação mecânica tem por objetivo a obtenção de informações diretas do subsolo como amostras deformadas e indeformadas, espessuras dos diversos materiais até uma determinada profundidade, etc. Os principais métodos de investigação mecânica utilizados em estudos geológico-geotécnico são: - poço ou trincheira de inspeção (PI/TI); - sondagem a varejão (SV); - sondagem a trado (ST); - sondagem a percussão (SP); - sondagem rotativa (SR); - perfuração com rotopercussão (RP); - galeria de investigação (GI). Nas fases iniciais de qualquer projeto é comum o emprego de métodos mais simples, ou seja, de menor custo unitário. Após visitas técnicas ou de reconhecimento preliminar, a investigação dos terrenos para construção de obras civis ou instalação de depósitos de resíduos urbanos, por exemplo, é iniciada com sondagens a trado, que visam identificar os tipos de solos presentes, sua espessura, distribuição, etc. Nas investigações de terrenos submersos ou depósitos incoesos, especialmente para localização de material para construção (areia e cascalho), é freqüente o uso de sondagens a varejão. Nesta fase inicial do projeto são realizadas sondagens a trado e, quando necessário, escavados poços ou trincheiras com a finalidade de se obter amostras indeformadas de solos ou para mapear as paredes dos poços ou trincheiras, buscando reconhecer as estruturas geológicas que possam interferir no empreendimento. A medida que as investigações avançam, e dependendo das necessidades, aumenta-se o número de sondagens e estas passam, gradativamente, para as mais sofisticadas (percussão e rotativa), que apresentam maior custo unitário. Além disso, as profundidades de investigação tornam-se cada vez maiores e dirigidas a alvos específicos. As sondagens a percussão são executadas com a finalidade de se obter amostras pouco deformadas e valores quantitativos de resistência dos solos por meio de ensaios expeditos padronizados, denominados SPT (Standard Penetration Test). A obtenção de amostras de testemunhos de sondagens rotativas visa não apenas a identificação da litologia e estruturas geológicas, mas também a identificação das características geotécnicas dos materiais e das descontinuidades. Assim, as descrições dos testemunhos são realizadas, empregando-se ábacos e tabelas que permitem caracterizar e, por fim, classificar o maciço rochoso, segundo critérios difundidos no meio técnico nacional e internacional. Informações detalhadas sobre critérios, dimensões, método de execução das sondagens mecânicas e ensaios podem ser obtidas nos boletins da Associação Brasileira de Geologia de Engenharia (ABGE, 1981, 1990a) e na norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 1980a).

5 8.2.1 Poço e trincheira de inspeção Os poços de inspeção são escavações verticais que permitem o acesso ao interior do terreno para exame in situ do material, sendo executados principalmente em solo. São escavados com ferramentas manuais simples como enxadões, picaretas e pás, e a extração do material é feita com baldes, roldanas ou sarilho e corda. Permitem a descrição e o exame dos horizontes perfurados, a retirada de amostras indeformadas (solos), a coleta de grandes volumes de amostras para os mais diversos ensaios, etc., bem como avaliações detalhadas das estruturas ocorrentes nos horizontes atravessados, da permeabilidade, da resistência do solo, etc. Tais poços permitem o exame direto de feições geológicas ou geotécnicas importantes do maciço rochoso e, muitas vezes, são aproveitados para a realização de ensaios de permeabilidade, de mecânica das rochas, etc. 120 Figura 90 Poço escavado manualmente em solo arenoso (phys4.harvard.edu/.../ remediation/rw_2004_visit/). Quando se necessita analisar grandes extensões do terreno, são utilizadas trincheiras (valetas) de seção retangular alongada. Estas são abertas com utilização de ferramentas manuais (como nos poços), ou com retroescavadeira. Fig Trincheiras sendo aberta com retroescavadeira (einstein.fisica.ist.utl.pt/.../trincheiras.htm), e manualmente (topogeo.vilabol.uol.com.br/ foto06.htm - Rio Doce Geologia e Mineração S/A). O procedimento para a coleta de amostras indeformadas de solo, em poços ou trincheiras, para ensaios de laboratório, consiste em talhar, cuidadosamente, um cubo com cerca de 30 cm de aresta no fundo ou parede da escavação e protegê-lo com camadas de parafina fundida e de talagarça, entremeadas. As amostras devem conter indicações de sua posição espacial para possibilitar a execução de ensaios orientados, de acordo com o carregamento previsto para o corpo de solo ou conforme seus planos de resistência Sondagem a varejão A sondagem a varejão é feita com uma haste lisa de ferro, cravada manualmente, ou por golpes de marreta, em sedimentos inconsolidados. E usada para o reconhecimento de aluviões, superfícies rochosas no leito de um rio e para avaliar depósitos de areia e cascalho para uso na construção civil.

6 A haste geralmente penetra até 2 m no aluvião arenoso inconsolidado e o material atravessado pode ser identificado pela reação sonora e vibratória do processo. Em argila, a penetração é macia, em areia é áspera e em depósitos de areia com cascalho observam-se bloqueios esparsos na cravação da haste. Bancos consolidados de cascalho não são penetrados pelo varejão Sondagem a trado A sondagem a trado é uma perfuração manual de pequeno diâmetro, para a investigação de solo de baixa a média resistência. O trado geralmente é constituído por uma concha metálica dupla ou uma espiral (helicoidal) que perfura o solo enquanto guarda em seu interior o material perfurado. O equipamento é acionado por hastes de aço rosqueáveis e composto, em seu topo, por uma cruzeta para aplicação de torque. O diâmetro usual do trado é de 2" a 3" (cerca de 5 a 7,6 cm); entretanto, nos trechos iniciais das sondagens rotativas emprega-se o diâmetro de 4" (aproximadamente 10,2 cm). A coleta de amostras é feita a cada metro de avanço ou quando ocorre mudança do tipo do material perfurado, para que seja identificada uma possível mudança de horizontes pedológicos ou de camadas geológicas. É muito importante coletar a última amostra retirada do furo e anotar o motivo da paralisação da perfuração. A sondagem a trado geralmente penetra somente os horizontes de solo (baixa a média resistência) e acima do nível d'água. Todavia, camadas argilosas plásticas situadas abaixo do nível d'água podem ser amostradas com trado tipo espiral (trado pistão). Camadas de seixos ou blocos de rocha impedem o avanço deste tipo de sondagem. A investigação a trado geralmente é utilizada para o estudo de áreas de empréstimo de solo, de subleitos de rodovias e para avaliação de jazidas de argila, talco e outros minerais de baixa dureza. Figura 92 Tipos de trado: A) cavadeira; B) torcido; C) helicoidal 1; D) helicoidal Sondagem a percussão A sondagem a percussão ou sondagem de simples reconhecimento ou, ainda, sondagem SPT (Standard Penetration Test) é o processo de investigação mais comum empregado na caracterização da cobertura terrosa dos terrenos naturais. Esse processo é muito usado no Brasil para caracterização dos maciços das fundações de edifícios, escavações subterrâneas para Metrô e vias de acesso, etc., onde as condições de intemperismo formam espessa e contínua cobertura de solo. O equipamento necessário é simples e consta basicamente de: Tripé equipado com sarilho, roldana e cabo; Tubos de revestimento com diâmetro interno de 63,5 mm (2,5 ); Hastes de aço para avanço da perfuração, com diâmetro interno de 25 mm; Martelo (peso) de ferro para cravação das hastes de perfuração, do amostrador e do revestimento, com massa de 65 kg, de forma cilíndrica ou prismática; Conjunto motor-bomba para circulação de água no avanço da perfuração; Trépano de lavagem constituído por peça de aço terminada em bisel e dotada de duas saídas laterais para água; Trado concha com 100 mm de diâmetro e helicoidal com diâmetro de 56 a 62 mm; Amostrador padrão de diâmetro externo de 50,8 mm e interno de 34,9 mm, com corpo bipartido; Materiais acessórios: tanque de água de 200 litros, ferramentas, frascos para armazenar amostras, parafina, etc.

7 122 Figura 93 Equipamentos utilizados em sondagem a percussão (SPT) O diâmetro normal da perfuração é de 2,5" (aproximadamente 63,5 mm) e, em geral, a sua profundidade varia de 10 a 20 m. A sondagem a percussão é limitada pela ocorrência de material duro, como, por exemplo, camada de transição solo-rocha, matacões, seixos ou cascalhos de diâmetro grande.

8 123 Figura 94 Sondagem SPT em execução e amostrador padrão sendo desmontado para a coleta de amostra ( br-temple-news/dec-04.htm). O avanço no horizonte de solo, acima do nível de água, é feito, em geral, com trado espiral (helicoidal). Ao atingir o nível de água ou material resistente ao trado, a sondagem continua com o uso de trépano e circulação de água, processo denominado lavagem. O trépano é uma ferramenta da largura do furo e com terminação em bisel cortante. Ele é usado para desagregar o material do fundo do furo. Sua operação se faz por repetidas quedas da coluna de perfuração (trépano/hastes) contra o fundo do furo, de uma altura de 30 cm, seguidas por um pequeno movimento de rotação, acionado manualmente, da superfície, com uma cruzeta acoplada ao topo da coluna de perfuração. Pelas hastes é injetada água sob pressão, que circula pelo furo, arrastando os detritos de perfuração até a superfície. Para evitar o desmoronamento das paredes nas zonas em que o solo apresenta-se pouco coeso é instalado um revestimento metálico de proteção (tubos de revestimento) Ensaio SPT A cada metro da perfuração é feito um ensaio de cravação do amostrador (conjunto com 813 mm de comprimento) no fundo do furo, para medida de resistência do solo e coleta de amostra pouco deformada. Esse ensaio, denominado ensaio de penetração ou ensaio SPT, é feito com equipamento e procedimento internacionalmente padronizados, para permitir a correlação de seu resultado com a experiência consolidada de muitos estudos feitos no Brasil e no exterior. O amostrador é cravado através do impacto de uma massa metálica de 65 kg caindo em queda livre de 75 cm de altura sobre um ressalto da parte superior do amostrador a ele conectado. O resultado do teste SPT corresponde à quantidade de golpes necessária para fazer penetrar os últimos 30 cm do amostrador no fundo do furo. São feitas anotações da penetração do amostrador, em centímetros, quando a massa é simplesmente apoiada sobre o ressalto. A medida correspondente à penetração obtida por simples apoio, ou zero golpes, pode ser expressiva em solos moles. Na penetração por batida da massa, é contado o número de golpes aplicados, para cada 15 cm de penetração do amostrador. As diretrizes para a execução de sondagens da ABGE recomendam que, em cada teste, deve ser feita a penetração total dos 45 cm do amostrador ou até que a penetração seja inferior a 5 cm para cada 10 golpes sucessivos. É importante observar o motivo da paralisação da sondagem, pela presença de matacão, cascalho ou a própria resistência do material. A cada ensaio de SPT prossegue-se a sondagem, empregando o trado, até a profundidade do novo ensaio. No Brasil, as empresas de sondagem estão adquirindo equipamentos com sistema hidráulico e movidos por motor a combustão, para execução do ensaio SPT, cujo amostrador é cravado no terreno por meio de martelo mecânico Ensaio de lavagem por tempo Quando existe interesse em caracterizar a resistência de camadas muito consolidadas, que não podem ser atravessadas com o amostrador da sondagem a percussão, são feitas medidas da velocidade de avanço da sondagem com o processo de lavagem. Esse procedimento, denominado ensaio de lavagem por tempo, consiste na operação padronizada dos movimentos do conjunto do trépano e coluna de perfuração,

9 com quedas livres a intervalos regulares de uma altura de 30 cm, durante 10 minutos, com medidas do avanço do furo nesse tempo Critérios de paralisação da sondagem O processo de perfuração por lavagem, associado aos ensaios penetrométricos, será utilizado até onde se obtiver nesses ensaios uma das seguintes condições: a) quando em 3 m sucessivos, se obtiver índices de penetração maiores do que 45/15; b) quando, em 4 m sucessivos, forem obtidos índices de penetração entre 45/15 e 45/30; c) quando, em 5 m sucessivos, forem obtidos índices de penetração entre 45/30 e 45/45 (n o de golpes/espaço penetrado pelo amostrador). Caso a penetração seja nula dentro da precisão da medida na seqüência de 5 impactos do martelo o ensaio será interrompido, não havendo necessidade de obedecer o critério estabelecido acima. Entretanto, ocorrendo essa situação antes de 8,00 m, a sondagem será deslocada até o máximo de quatro vezes em posições diametralmente opostas, distantes 2,00 m da sondagem inicial Coleta de amostras Na sondagem a percussão são coletadas amostras obtidas pelo amostrador e aquelas retiradas nos avanços dos furos entre um e outro ensaio de SPT, por trado ou lavagem. As amostras retiradas do amostrador devem ser acondicionadas em frascos herméticos para a manutenção da umidade natural e das suas estruturas geológicas. As amostras de trado devem ser acondicionadas em sacos plásticos ou ordenadas nas próprias caixas de amostragem. As amostras retiradas por sedimentação da água de lavagem ou de circulação também devem ser guardadas. Elas são constituídas principalmente pela fração arenosa do solo original, pois os finos geralmente são levados pela água de circulação da sondagem Índice de resistência à penetração Conforme definido por Terzaghi-Peck, o índice de resistência à penetração (SPT ou N - Standard Penetration Test) é a soma do número de golpes necessários à penetração no solo, dos 30 cm finais do amostrador. Despreza-se portanto o número de golpes correspondentes à cravação dos 15 cm iniciais do amostrador. Ainda que o ensaio de resistência à penetração não possa ser considerado como um método preciso de investigação, os valores de N obtidos dão uma indicação preliminar bastante útil da consistência (solos argilosos) ou estado de compacidade (solos arenosos) das camadas do solo investigadas. Quadro 15 Índices de resistência à penetração e respectivas designações. Solo Índice de Resistência á Penetração Designação 4 Fofo Areias e siltes arenosos 5-10 Pouco compacto Medianamente compacto Compacto > 50 Muito compacto 2 Muito mole 3-4 Mole Argilas e siltes argilosos 5-8 Média 9-15 Rija Muito rija > 30 Dura

10 Número de furos A NBR Programação de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios , estabelece (item ): As sondagens devem ser, no mínimo, de uma para cada 200 m 2 de área da projeção em planta do edifício, até m 2 de área; Entre m 2 e m 2 deve-se fazer uma sondagem para cada 400 m 2 que excederem m 2 ; Acima de m 2 o número de sondagens será fixado de acordo com o plano particular da construção. Em quaisquer circunstâncias o número mínimo de sondagens deve ser: a) Dois para área da projeção em planta do edifício até 200m2; b) Três para área entre 200m2 e 400m Interpretação dos resultados Na maioria dos casos, a interpretação dos resultados das sondagens visa a escolha do tipo das fundações e a estimativa das taxas de tensões admissíveis do terreno e dos recalques das fundações. A escolha do tipo de fundação pode ser feita à vista dos perfis das sondagens, apoiados por perfis longitudinais do subsolo, passando pelos pontos sondados. A pressão admissível a ser transmitida por uma fundação direta ao solo, dependendo da importância da obra, da experiência acumulada na região, pode ser estabelecida em função de índice correlacionado com a consistência ou compacidade das diversas camadas do subsolo. Entre os projetistas brasileiros de fundações tem sido empregado o índice de medida da resistência à penetração do amostrador padrão utilizado nas sondagens à percussão. O quadro 16 apresenta uma correlação do mesmo tipo para solos coesivos, estabelecida por Terzaghi-Peck. Esta correlação entre o índice de resistência à penetração e a resistência à compressão simples é ainda menos precisa que a anterior e tem também caráter indicativo. Quadro 16 Correlação entre resistência à compressão simples e número de golpes (SPT) para diversos materiais. Consistência da Argila Muito mole Mole Média Rija Muito rija Dura SPT < > 30 Resistência à Compressão Simples - (kg/cm2) < 0,25 0,25-0,5 0,5-1, > 4 Quadro 17 Correlação entre número de golpes (SPT) e tensões admissíveis (kg/cm 2 ) para matérias argilosos. Argila Muito mole Mole Média Rija Muito rija Dura N. de Golpes Tensões admissíveis (Kg/cm 2 ) SPT Sapata quadrada Sapata continua > 30 < 0,30 0,33-0,60 0,60-1,20 1,20-2,40 2,40-4,80 > 4,80 < 0,22 0,22 -,45 0,45-0,90 0,90-1,80 1,80-3,60 > 3,60

11 Quadro 17 Correlação entre número de golpes (SPT) e tensões admissíveis (kg/cm 2 ) para materiais arenosos. Areia Fofa Pouco compacta Medianamente compacta Compacta Muito compacta N. de Golpes SPT 4 5- l > 50 Tensão Admissível (kg/cm 2 ) < 1,0 1,0-2,0 2,0-4,0 4,0-6,0 > 6,0 As tabelas dessas naturezas devem ser usadas criteriosamente e considerados todos os fatores inerentes às fundações (forma, dimensões e profundidade) e ao terreno que servirá de apoio (profundidade, ocorrência do nível d'água e possibilidade de recalques, existência de camadas mais fracas abaixo da cota prevista para assentamento das fundações). 126 Figura 95 Boletim de sondagem (

12 8.2.5 Sondagem rotativa A sondagem rotativa é um tipo de investigação feita com um tubo, denominado barrilete, dotado de uma peça cortante, feita com material de alta dureza (coroa) em sua ponta, que perfura o terreno através de um movimento de rotação. O barrilete geralmente tem uma camisa livre em seu interior para preservar o testemunho de sondagem (tarugo de rocha), que constitui o material rochoso cortado pela coroa. Para rochas brandas utiliza-se coroa com pastilhas de vídia. Para rochas de média e alta dureza emprega-se coroa com diamante industrial, na forma de pequenos grãos incrustados ou grânulos disseminados numa matriz, formada pela mistura de vários metais, submetidos à sinterização. Existem barriletes e coroas de várias dimensões para permitir a execução das perfurações em série telescópica. Com isso é possível manter protegida, com revestimento, parte da parede do furo, constituído por material que pode desmoronar, enquanto a perfuração prossegue com um diâmetro menor. O equipamento básico para a sondagem rotativa consta de sonda propriamente dita, tripé ou torre, bomba de água, hastes, barriletes e coroas. As sondas geralmente imprimem o avanço da perfuração, pressionando a coluna de perfuração rotatória através de mecanismo hidráulico. A operação da sondagem rotativa se faz por ciclos sucessivos de corte e retirada dos testemunhos do interior do barrilete, procedimento este denominado manobra. O avanço em cada manobra depende basicamente da qualidade do material que está sendo perfurado. Quando a rocha é de boa qualidade, o comprimento de testemunho obtido em cada manobra pode ser quase igual ao comprimento do barrilete (3 a 5 m). Entretanto, quando ocorre perda ou destruição de material, em terrenos de difícil amostragem ou quando a rocha encontra-se muito fraturada e intemperisada, o comprimento de cada manobra deve ser diminuído, até o mínimo necessário. Para que o maciço rochoso seja bem representado pelo testemunho, recomenda-se que em cada manobra o comprimento da amostra não seja inferior a 95% do avanço. Intervalos localizados com baixa recuperação, dentro de um conjunto de boas amostras, podem ter origem em uma porção excepcionalmente ruim do maciço ou em algum problema no funcionamento do barrilete. Os trechos com baixa recuperação devido à deficiência de operação do equipamento devem ser indicados na caixa de testemunhos e no boletim de sondagem. Nas perfurações em rochas calcárias e efusivas basálticas ocorrem, por vezes, cavidades com água ou lama, onde o avanço da sonda se faz sem qualquer resistência e também devem ser indicadas. Enfim, todos os fatos ocorridos durante a execução de uma sondagem devem ser criteriosamente registrados para que os resultados da investigação possam ser corretamente interpretados. Os testemunhos obtidos nas sondagens devem ser guardados em caixas de madeira ou de plástico com tampa. Eles devem ser dispostos na seqüência exata de sua posição no furo, da esquerda para a direita e de cima para baixo. Quando, no local da sondagem rotativa, existe uma cobertura de material terroso, acima do maciço rochoso, o procedimento rotativo tem início a partir da profundidade em que a resistência do material atinge 50 golpes para 30 cm no ensaio SPT. Neste caso, a sondagem também é denominada sondagem mista e a sigla utilizada é SM. Após o término da sondagem, alguns projetos exigem a realização de ensaios especiais, tais como permeabilidade com a sonda hidráulica multiteste - SHM, obtenção das direções das estruturas geológicas por meio de obturadores de impressão, ensaios geotécnicos de crosshole e tomografia, etc. Caso os furos das sondagens rotativas não sejam utilizadas para a instalação de piezômetros, devem ser totalmente preenchidos com calda de areia e cimento após sua conclusão, pois, deixados abertos, podem promover a interligação de aqüíferos confinados, alterando as condições hidrogeotécnicas locais. Em várias obras de barragens em basalto e túneis sob rios, furos de investigação, deixados abertos, apresentaram grandes vazões nas escavações Apresentação dos resultados Todos os dados colhidos na sondagem são resumidos na forma de um perfil individual do furo, ou seja, um desenho que traduz o perfil geológico do subsolo na posição sondada, baseado na descrição dos testemunhos. A descrição dos testemunhos é feita a cada manobra e inclui: a) A classificação litológica - baseada na gênese da formação geológica, na mineralogia, textura e fábrica dos materiais a classificar. Inclui ainda a cor e tonalidade. b) Estado de alteração das rochas para fins de engenharia - trata-se de um fator que faz variar extraordinariamente suas características. As descrições do grau de alteração das rochas, embora muito informativas, são até certo ponto subjetivas por se basearem normalmente na opinião do autor da classificação. c) Grau de fraturamento - uma das maneiras de avaliar o grau de fraturamento da rocha é através o número de fragmentos por metro, o qual é obtido dividindo-se o número de fragmentos recuperados em cada manobra pelo comprimento da manobra.

13 É corrente correlacionar-se a qualidade de rocha com a percentagem de recuperação, a qual se obtém pela relação entre o comprimento total dos vários testemunhos de uma mesma manobra e o comprimento dessa manobra, expressa em percentagem. O desenvolvimento dos equipamentos e das técnicas de perfuração veio mostrar a precariedade dessas correlações, pois uma mesma formação poderá oferecer diversas percentagens de recuperação em função da qualidade da sondagem. Entretanto, é corrente considerar-se rocha de boa qualidade, aquelas cujas percentagens de recuperação são superiores a 80%; rocha muito alterada quando as percentagens são inferiores a 50% e medianamente alterada para valores intermediários. No intuito de englobar num só os critérios de fraturamento e estado de alteração, Deere (1967) introduziu o que designa por RQD (Rock Quality Designation). O RQD se baseia numa recuperação modificada, pois na determinação da percentagem de recuperação entram no cálculo os fragmentos de testemunho com comprimento igual ou superior a 10 cm. Assim, o RQD de uma manobra é obtido somandose os comprimentos dos testemunhos com mais de 10 cm e dividindo-se pelo comprimento da manobra. A determinação do RQD é feita apenas em sondagens que utilizem barriletes duplos de diâmetro NX (76 mm) ou superior. O quadro 18 ilustra a classificação adotada para a qualidade da rocha em função do RQD. Quadro 18 - RQD de maciços rochosos 128 RQD Qualidade do Maciço Rochoso 0 25% Muito fraco 25 50% fraco 50 75% Regular 75 90% Bom % Excelente 8.3 Investigações Geofísicas Os métodos geofísicos permitem determinar a distribuição, em profundidade, de parâmetros físicos dos maciços, tais como velocidade de propagação de ondas acústicas, resistividade elétrica, contrastes de densidade e campo magnético da Terra. Estas propriedades guardam estreitas relações com algumas características geológico-geotécnicas do maciço, como grau de alteração e de fraturamento e tipo litológico, aspectos fundamentais na investigação de uma determinada área. Os principais métodos geofísicos utilizados na Geologia de Engenharia são: - Métodos elétricos: eletrorresistividade, eletromagnéticos (radar de penetração no solo - GPR). - Métodos Sísmicos: refração, reflexão. - Métodos Potenciais: magnetometria e gravimetria A utilização de métodos geofísicos na Geologia de Engenharia dá-se principalmente na fase de reconhecimento da área de interesse, visando a construção de uma obra civil. Neste caso, o objetivo é a definição de grandes feições, como contatos litológicos, zonas de fraturas e profundidade do topo rochoso. Assim, a análise dos dados geofísicos, juntamente com informações obtidas pelos de mapeamentos geológicos convencionais e de sondagens mecânicas, permite a tomada de decisões, principalmente na definição dos melhores locais para implantação de obras. Em qualquer das fases de aplicação dos métodos geofísicos, a utilização de seus dados será sempre entendida como suplementar às informações obtidas através dos métodos diretos de investigação. Os métodos geofísicos não devem ser analisados como substitutos dos métodos convencionais de investigação, como sondagens mecânicas, trincheiras, etc. A cuidadosa e apropriada inclusão de ensaios geofísicos, no desenvolvimento de um determinado estudo, pode todavia, reduzir o número de ensaios diretos requeridos para uma devida caracterização da subsuperfície da área de interesse, reduzindo, desta forma, os custos finais do projeto Planejamento A inclusão de ensaios geofísicos, como complementação de outras atividades de investigação ou ensaios de caracterização geológico-geotécnica de uma determinada área, deve necessariamente ser precedida de análise quanto a: Natureza do problema geotécnico a ser avaliado, abordando as seguintes questões:

14 é importante conhecer o contorno do embasamento, ou simplesmente a espessura dos sedimentos mais superficiais? Há necessidade de definição de algum parâmetro físico do meio a ser investigado: coeficiente de Poisson, módulo de Young? O problema pode ser resolvido pelo método geofísico? Quais os métodos e equipamentos mais adequados para a solução do problema proposto? Qual a penetração e resolução desejável para a caracterização da área de estudo? Qual o contraste esperado entre as propriedades físicas dos terrenos a ser investigados? A área em estudo é adequada à execução de levantamentos geofísicos? Possui condições topográficas favoráveis? Existem condições estruturais artificiais que inviabilizam o ensaio geofísico (excesso de ruídos sísmicos ou eletromagnéticos, presença de condutos elétricos em subsuperfície, etc.)? Relação custo/benefício: deve ser analisada com base nas necessidades do projeto (densidade mínima de informações para a caracterização da área, profundidade da investigação, etc.) e a localização da área de estudo (acessos, etc.). Topografia (planimetria e altimetria das estações) e abertura e estaqueamento dos perfis; Dados preexistentes: fotografias aéreas, mapas geológicos, dados hidrogeológicos, dados de sondagens e relatórios técnicos Aplicabilidade As medidas geofísicas propriamente ditas são bastante precisas. A ambigüidade surge na interpretação dos dados geofísicos, já que não é único o modelo geológico que se ajusta aos dados obtidos. O sucesso na interpretação dos dados vai depender, fundamentalmente, de informações geológicas preexistentes e da experiência do profissional que irá interpretar os dados adquiridos. Ao não se levar em consideração estes aspectos, o modelo final da área estudada pode não corresponder ao real e assim ocorrer um certo desapontamento com relação à expectativa da aplicação dos métodos geofísicos na investigação proposta. Todavia existem limitações a ser consideradas na aplicação de certos métodos na solução de determinados problemas. Assim, por exemplo, inversões de velocidades de propagação da onda sísmica num pacote sedimentar (camadas de menor velocidade sotoposta por camadas de maior velocidade) conduzem a erros de interpretação, quando se utiliza o método de refração sísmica. A presença de corpos extremamente condutivos ou isolantes, ou o N.A. muito profundo, constituem fatores que podem também levar a erros de interpretação dos dados obtidos em ensaios de eletrorresistividade Métodos elétricos A investigação geofísica através de métodos elétricos envolve a detecção, na superfície dos terrenos, dos efeitos produzidos pelo fluxo de corrente elétrica em subsuperfície. São vários os métodos disponíveis atualmente, para medição dos parâmetros relacionados ao fluxo de corrente elétrica, e podem ser classificados em dois grupos: os que utilizam fontes naturais e os que utilizam fontes artificiais (induzidas). Com os métodos elétricos é possível medir correntes elétricas, diferença de potencial e campos eletromagnéticos entre dois pontos na superfície. Os contrastes entre as várias propriedades elétricas das rochas, dos sedimentos e dos minerais viabilizam a utilização dos métodos elétricos como forma de investigação geológico-geotécnica. Os métodos elétricos são amplamente empregados para: determinação da posição e geometria do topo rochoso; caracterização de estratos sedimentares; identificação de zonas de falhas, zonas alteradas e/ou fraturadas, contatos litológicos, cavidades e diques; caracterização de materiais impermeáveis e permeáveis, o que permite delimitar zonas potenciais de contaminação; localização de corpos condutores (sulfetos maciços, grafita, águas termais, etc.) e corpos resistentes (carvão, domos salinos, etc.); identificação do N.A.; identificação da direção e sentido do fluxo dos fluidos subsuperficiais. Os equipamentos utilizados para as medidas geoelétricas e eletromagnéticas compreendem uma fonte de energia (baterias ou motores geradores), que alimenta uma unidade transmissora, conectada aos

15 eletrodos de emissão ou de corrente (AB) ou às antenas no caso do radar, e uma unidade de recepção e registro de dados, conectada aos eletrodos MN, ou à antena de recepção no caso do radar Eletrorresistividade Dentre as principais propriedades elétricas utilizadas na investigação geoelétrica destaca-se a eletrorresistividade, que diz respeito à dificuldade encontrada pela corrente elétrica para se propagar num meio qualquer. Nas rochas, os mecanismos de propagação de corrente elétrica podem ser eletrônicos ou iônicos. O primeiro é devido ao transporte de elétrons na matriz da rocha, governado pelo modo de agregação dos minerais e do grau de impurezas; o segundo refere-se ao deslocamento de íons existentes na água contida nos poros e fissuras das rochas. Dentre todas as propriedades físicas das rochas e dos minerais, a resistividade elétrica é a que apresenta o maior intervalo de variações: pode atingir valores tão pequenos quanto 10-5 ohm.m para minerais metálicos, como valores tão grandes como 10 7 ohm.m para sedimentos extremamente secos ou rochas como gabro. Um mesmo tipo de rocha pode também apresentar variações muito grandes deste parâmetro em função, por exemplo, do conteúdo de eletrólitos. A condução elétrica em sedimentos e em rochas próximas à superfície é basicamente iônica e ocorre ao longo dos poros interconectados. Os íons que conduzem a corrente resultam da dissociação de sais, quando dissolvidos na água. Na ausência de minerais de argila, a porosidade e a permeabilidade passam a ser fatores de extrema importância, quando se analisa a resistividade elétrica de um meio. Entretanto, a presença de argila, que possui grande capacidade de troca iônica, viabiliza um caminho adicional de condução de corrente elétrica, além do caminho iônico. Outro fator que condiciona fortemente a resistividade elétrica de um meio é a sua textura. Um arenito bem selecionado apresenta maior volume de espaços vazios para o armazenamento do eletrólito e, conseqüentemente, possui menor resistividade; ao contrário, menor porosidade significa maior resistividade. O quadro 19 mostra alguns exemplos de valores deste parâmetro em algumas rochas e minerais. Os dados de eletrorresistividade podem ser apresentados de várias formas, como perfis, seções, pseudo-seções e plantas de isovalores de resistividades aparentes. Quadro 19 - Exemplos de valores de resistividade elétrica de alguns minerais e rochas (Telford et al., 1990) MINERAL OU ROCHAS RESISTIVIDADE (ohm/m) Bauxita Água superficial Água do mar 0,2 Grafita x 10-3 Granito pórfiro (saturado) 4,5 x 10-3 Diabásio 20 5 x 10 7 Basalto 10-1,3 x 10 7 Xisto Gnaisse (seco) Quartzito 10 2 x 10 8 Argilas consolidadas 20 2 x 10 3 Argilas inconsolidadas úmidas 20 Conglomerados 2 x Arenitos 1-6,4 x 10 8 Calcário Os métodos de medição de eletrorresistividade são dois: a sondagem elétrica vertical e o caminhamento elétrico Sondagem elétrica vertical O método da sondagem elétrica vertical (SEV) consiste em medir, na superfície terrestre, o parâmetro resistividade elétrica com o emprego de um arranjo (simétrico ou assimétrico) de eletrodos de emissão (AB) e de recepção (MN). Conforme ilustrado na Figura 96, uma corrente I é enviada entre os

16 eletrodos AB. Entre MN é medida a diferença de potencial resultante ( V). Deste modo, a resistência aparente (r a ) da porção do subsolo entre MN é dada por: V r a = (1) I e a resistividade aparente (ρ a ) correspondente é dada por: ρ = K (2) a r a sendo (K) um fator geométrico relacionado ao espaçamento entre os eletrodos. Aumentando-se a distância entre os eletrodos de corrente (AB), o volume total da subsuperfície, incluída na medida, também aumenta, permitindo alcançar camadas cada vez mais profundas. A resistividade elétrica medida é denominada resistividade aparente porque representa a resistividade média de todo o volume de material, entre a superfície e o ponto investigado em profundidade. O principal objetivo da SEV é o estudo da distribuição vertical, abaixo do ponto de interesse na superfície, do parâmetro resistividade elétrica. Um melhor resultado da aplicação desta técnica sempre ocorrerá em terrenos lateralmente homogêneos compostos de camadas estratificadas plano-paralelas. Nos últimos anos, esta técnica, aliada ao caminhamento elétrico (ver item seguinte) tem ocupado papel de relevância na Geologia de Engenharia e tem fornecido subsídios fundamentais em estudos de investigação de áreas para construção de grandes obras civis, como barragens, portos e túneis. No campo dos problemas ambientais, os resultados destes ensaios desempenham papel extremamente importante, na medida que subsidiam estudos de monitoramento ambiental, por exemplo, em áreas contaminadas, e auxiliam no processo de escolha de locais para aterros sanitários. Quanto aos arranjos de eletrodos na superfície do terreno, o mais utilizado é o Schlumberger. Neste arranjo, os eletrodos são dispostos em linha, e na operação de aquisição de dados, os eletrodos AB são afastados simetricamente em relação aos eletrodos MN, que permanecem fixos no centro do arranjo. A distância entre esses eletrodos de recepção só é alterada quando se faz necessário o aumento da relação sinal/ruído. Em qualquer caso, deverá sempre ser mantida a relação MN AB/5. Na SEV, não ocorrem mudanças da direção do arranjo de eletrodos durante as medições Caminhamento elétrico O principal objetivo do caminhamento elétrico é o estudo da distribuição horizontal do parâmetro resistividade elétrica a uma ou várias profundidades, aproximadamente constantes, abaixo do ponto de interesse na superfície. As investigações através do caminhamento elétrico ocorrem normalmente ao longo de perfis e os resultados obtidos são analisados conjuntamente em planta (uma para cada profundidade de interesse) ou em seções com várias profundidades de investigação. Analogamente ao método SEV, uma corrente elétrica (I) é introduzida no subsolo através dos eletrodos AB e, entre os eletrodos MN, é medida a diferença de potencial AV, parâmetro este que será utilizado no cálculo da resistividade aparente, conforme equações (1) e (2). Permitindo a análise das variações laterais da resistividade aparente do subsolo, o caminhamento elétrico proporciona a possibilidade de identificação de contatos geológicos verticais ou inclinados, mineralizações, diques, fraturamentos, falhamentos, ou quaisquer outras características que se apresentem com heterogeneidades laterais de resistividade.

17 Radar de penetração no solo A utilização do radar de penetração no solo GPR (Ground Penetrating Radar) como método de investigação geofísica de subsuperfície no Brasil é bastante recente. Este método consiste na emissão contínua de ondas eletromagnéticas (espectros variando entre 10 e MHz) e recepção dos sinais refletidos nas estruturas ou interfaces em subsuperfície. Os sinais são emitidos e recebidos através de antenas dispostas na superfície do terreno. As medidas de tempo de percurso das ondas eletromagnéticas são efetuadas ao longo de uma linha e, quando justapostas lado a lado, fornecem uma imagem detalhada (de alta resolução) da subsuperfície ao longo do perfil estudado. Este método vem ocupando posição de destaque entre os métodos geofísicos de investigação rasa, tendo em vista sua grande aplicabilidade em estudos de áreas urbanas. Além de propiciar ensaios nãodestrutivos, possui ainda facilidades operacionais, como portabilidade dos equipamentos para aquisição dos dados, grande versatilidade do arranjo de campo dos sensores e receptores, e similaridades das técnicas de processamento com aquelas utilizadas para tratamento dos dados sísmicos. A penetração do sinal de radar está condicionada primeiramente pelas propriedades elétricas dos terrenos (condutividade/resistividade elétrica). Em situações de baixa condutividade (ou resistividades > 50 ohm.m), o sinal de radar pode atingir profundidades superiores a 20 m. Por outro lado, argilas condutivas podem reduzir a penetração do sinal de radar a profundidades inferiores a 1 m. A freqüência do sinal emitido também contribui diretamente para uma maior ou menor penetração e resolução do método. Analogamente à sísmica de reflexão, freqüências maiores ( MHz) possibilitam maior resolução em sacrifício de uma maior penetração, que pode ser obtida pela emissão de freqüências menores ( MHz). Este método de investigação tem sido aplicado com relativo sucesso na detecção da conformação e estruturas do embasamento cristalino, em projetos de implantação de dutos subterrâneos, em estudos de contaminação de águas subterrâneas, na detecção da profundidade do nível freático, no estudo da integridade de estruturas, na detecção de espaços vazios em diversas circunstâncias, tais como subsidências (regiões cársticas), espaços vazios sob a camada asfáltica, estruturas de dissolução em condutos de água e espaços vazios em grandes estruturas de concreto. Na caracterização de rochas ornamentais (mapeamento detalhado dos fraturamentos de blocos), esta técnica tem encontrado também grande aplicação Métodos sísmicos Os métodos sísmicos têm por objetivo estudar a distribuição em profundidade do parâmetro velocidade de propagação das ondas acústicas, que está intimamente relacionado com características físicas do meio geológico, tais como densidade, constantes elásticas, porosidade, composição mineralógica e química, conteúdo de água e tensão de confinamento. A importância destas características, nos estudos geológico-geotécnicos de maciços, garantem aos métodos sísmicos grande aplicabilidade na Geologia de Engenharia. Além disso, no ensaio sísmico, amostram-se volumes representativos é não-perturbados do maciço, o que não ocorre com os ensaios de laboratório realizados em pequenas amostras. Os fundamentos dos métodos sísmicos, esquematicamente ilustrados na Figura 97, estão baseados no princípio de propagação das ondas acústicas num meio sólido. Sinais acústicos são emitidos na superfície e se propagam através das camadas geológicas, retornando à superfície ao sofrerem reflexão ou refração total nas interfaces, sendo captados por sensores denominados geofones (em terra) ou hidrofones (em água). Um equipamento de registro (sismógrafo) capta os sinais recebidos pelos sensores, gravando-os em forma digital ou imprimindo-os em papéis especiais na forma de sismogramas Sísmica de refração A sísmica de refração tem sido aplicada largamente na Geologia de Engenharia, principalmente na determinação da profundidade do topo do embasamento rochoso e da espessura das camadas sotopostas ao embasamento, além de fornecer subsídios que possibilitam a avaliação do grau de escarificabilidade de maciços rochosos. Este método consiste de medições de tempo de propagação das ondas acústicas que viajam através dos meios subjacentes e refratam ao longo das interfaces com meios de maior velocidade de propagação, retornando à superfície onde são captadas pelos geofones, adequadamente distribuídos, conforme ilustrado na Figura 97. Os dados obtidos são plotados em gráficos tempo x distância que, devidamente interpretados, fornecem os parâmetros de interesse ao projeto. O método sísmico de refração utiliza fontes de energia de natureza impulsiva que produzem deformações elásticas no meio, gerando ondas acústicas que se propagam através das diferentes interfaces geológicas. Normalmente, utilizam-se explosivos que, além de garantir um nível de energia adequado, permitem a emissão de um amplo espectro de freqüências. Todavia, em situações em que não é recomendável este tipo de fonte, por questões de segurança (áreas urbanas), utilizam-se fontes alternativas, como, por exemplo, o martelo, o rifle sísmico ou a simples queda de pesos.