DRENAGEM DE ESCAVAÇÕES

Transcrição

1 DRENAGEM DE Autor: Eng.ª Rita Miranda Coordenação: Prof. F. A. Branco, Prof. Jorge de Brito, Prof. Pedro Vaz Paulo e Prof. João Pedro Correia 1/59

2 ÍNDICE DECivil 1. INTRODUÇÃO 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE 3. TÉCNICAS DE 3.1. Retenção de águas superficiais 3.2. Captação directa 3.3. Rebaixamento do nível freático 3.4. Métodos de exclusão 4. ANÁLISE COMPARATIVA 5. REFERÊNCIAS 2/59

3 1. INTRODUÇÃO 3/59

4 1. INTRODUÇÃO Drenagem de escavações DECivil Conjunto de trabalhos efectuados para drenar a água existente na superfície do terreno, ou infiltrada neste, junto a escavações, com carácter provisório ou definitivo. 4/59

5 1. INTRODUÇÃO Razões para efectuar a drenagem das escavações: DECivil - permitir trabalhar a seco no fundo da escavação (economia, comodidade e qualidade do trabalho, etc.); - escoar a água da chuva, de outras origens superficiais ou de aquíferos subterrâneos; - reduzir os impulsos em eventuais contenções provisórias; - prevenir situações de acidente (ex: instabilização dos taludes), garantindo a segurança dos trabalhadores e equipamento; - tornar mais improváveis fenómenos potenciais de instabilização do solo no fundo da escavação (arraste de finos, levantamento do solo ou a liquefacção); - viabilizar determinadas técnicas construtivas (ex: paredes tipo Munique). 5/59

6 1. INTRODUÇÃO DECivil Para que a drenagem atinja os seus objectivos, devem ser cumpridas as seguintes exigências: - a posição do nível freático rebaixado deve ser continuamente controlada (para se evitarem flutuações passíveis de causar a instabilidade da escavação), não devendo baixar mais do que o necessário para a segurança da obra; - o método escolhido deve assegurar a estabilidade dos taludes e fundo da escavação, bem como a integridade e segurança de estruturas adjacentes; - nos casos em que se proceda a bombagem, devem utilizar-se filtros adequados, para que não haja arrastamento de finos do solo; - no dimensionamento dos sistemas de bombagem deve ter-se em conta eventuais falhas de corrente ou outros imprevistos; - a água retirada do terreno deve ser depositada em locais que não afectem a escavação nem os recursos freáticos existentes (colectores de esgoto, cursos de água, etc.). 6/59

7 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS T DE DRENAGEM DE 7/59

8 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS T DE DECivil Principais grupos de técnicas de drenagem de escavações - Retenção de águas superficiais Impedem o acesso da água superficial à escavação; - Captação directa Procede-se à bombagem da água que aflui à escavação; - Rebaixamento do nível freático Efectua-se a pré-drenagem do solo, através do rebaixamento do nível freático; - Métodos de exclusão Impede-se o acesso da água subterrânea à escavação, através da criação de barreiras físicas. 8/59

9 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS T DE DECivil Técnicas que se inserem em cada grupo Retenção de águas superficiais - valas (valetas), muros e taludes. Captação directa - bombagem. Rebaixamento do nível freático - poços de bombagem; - agulhas filtrantes; - sistemas de ejecção; - electro-osmose; - captação horizontal. 9/59

10 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS T DE DECivil Técnicas que se inserem em cada grupo Métodos de exclusão Temporários (asseguram estanqueidade apenas durante o período de construção): - congelação do solo; - paredes de lamas bentoníticas; - estacas-prancha. Permanentes (garantem estanqueidade a longo prazo): - paredes moldadas; - cortinas de estacas; - jet grouting; - injection grouting; - cortinas horizontais. 10/59

11 DE DRENAGEM DE 11/59

12 3.1 Retenção de águas superficiais Em que consiste? Em impedir o acesso da água superficial à escavação. Como se coloca em prática? Recorrendo a dispositivos (valas, muros e taludes), executados a toda a periferia da escavação, que captem a água no exterior e a encaminhem para fora da zona de escavação. 12/59

13 Valas (valetas) Realizadas no pé do talude, procedem à condução da água, por gravidade, até pontos de recolha (poços), de onde esta é afastada para local de descarga adequado (colectores de esgoto, cursos de água, etc.), por gravidade ou por bombagem. 3.1 Retenção de águas superficiais Principais cuidados: Evitar que o material fino do terreno seja arrastado e bombeado, de modo a minimizar o risco de instabilizar as paredes e fundo do poço, e até os taludes, e de desgastar o sistema de bombagem. 13/59

14 3.1 Retenção de águas superficiais Muros e taludes Principais cuidados: Não deixar a água acumular na sua face, afastando-a para um local de descarga adequado. 14/59

15 3.2 Captação directa Em que consiste? Em bombear a água que aflui à escavação para o exterior desta. Como se coloca em prática? Recolhendo a água que aflui à escavação por (i) trincheiras (solos permeáveis) ou (ii) sistema de caleiras (solos impermeáveis) e conduzindo-a, por gravidade, até pelo menos um poço de recolha (chamada), de onde é bombeada para o exterior. 15/59

16 3.2 Captação directa Trincheiras (solos permeáveis) Aspectos principais: - pendente elevada e preenchimento com camada de material filtrante, para minimizar hipóteses de entupimento. Caleiras (solos impermeáveis) Aspectos principais: - ½ tubos embebidos em seixo ou brita e com pequena pendente; - executar sistema, sempre que possível, fora da área de implantação da estrutura; - assim que deixem de ser necessárias, proceder ao seu preenchimento com argamassa não retráctil. 16/59

17 3.2 Captação directa Poços de recolha (chamada) Colocados em locais da escavação que não interfiram com os trabalhos no seu interior, deverão ter uma profundidade de m e um diâmetro de m. 17/59

18 3.2 Captação directa 18/59

19 3.2 Captação directa Principais problemas - erosão interna (piping); - levantamento / rotura do solo (heaving). Limitações - apropriada apenas para situações em que o nível freático não se encontra muito acima da profundidade da escavação; - escavações de pequena extensão. 19/59

20 3.3 Rebaixamento do nível n freático Em que consiste? Em retirar a água ao solo, por gravidade ou por diferença de pressão, e bombeá-la para o exterior da escavação. Como se coloca em prática? Através de captações verticais: (i) poços de bombagem (ii) agulhas filtrantes (iii) sistemas de ejecção (iv) electro-osmose ou de (v) captações horizontais 20/59

21 3.3 Rebaixamento do nível n freático (i) Quando se utilizam? Poços os de bombagem - em solos permeáveis; - quando a profundidade a atingir é elevada e o nível freático se encontra próximo da superfície. Como se coloca em prática? Executando poços, na periferia da escavação, até à profundidade pretendida, nos quais se insere uma tubagem envolta em filtro adequado. A bombagem é efectuada em contínuo, por uma (i) bomba de sucção colocada na superfície do terreno ou através de uma (ii) bomba submersível colocada no fundo do furo. NOTA: Se se pretender um maior rebaixamento (ou em solos menos permeáveis), os poços podem ser selados (com bentonite e argila) junto à superfície, criando-se de seguida vácuo no interior do poço. 21/59

22 3.3 Rebaixamento do nível n freático (i) Poços os de bombagem 22/59

23 3.3 Rebaixamento do nível n freático (i) Poços os de bombagem 23/59

24 Bomba de sucção Aspectos principais: - dificuldades em atingir profundidades superiores a 5-8 m, a não ser que se conceba um sistema por andares; Bomba submersível 3.3 Rebaixamento do nível n freático (i) Poços os de bombagem Aspectos principais: - consegue atingir profundidades de m; - associada a vácuo permite drenar eficazmente solos pouco permeáveis (poço de grande diâmetro sob vácuo). 24/59

25 3.3 Rebaixamento do nível n freático (i) Poços os de bombagem Poço de grande diâmetro sob vácuo - perfuração de furo com cm de diâmetro; - colocação de tubo com cm no seu interior; - preenchimento do espaço intermédio com areia e areão de granulometria apropriada; - vedação, com bentonite ou argila, do espaço entre o tubo e o furo (apenas na parte superior do furo). 25/59

26 Agulhas filtrantes (well-points) Tubos de ferro ou de PVC, com diâmetros de cm e comprimentos de 3-7 m, perfurados na ponta. Quando se utilizam? - em solos pouco permeáveis; - em obras pequenas e/ou de curta duração. Como se coloca em prática? 3.3 Rebaixamento do nível n fre vel freático (ii) Agulhas filtrantes Introduzindo-as no terreno, por injecção de água através da sua ponteira, e ligando-as por mangueiras flexíveis a um tubo colector horizontal, e este a um conjunto de bombas de água e vácuo. 26/59

27 3. TÉCNICAS 3.3 Rebaixamento do nível freático DECivil (ii) Agulhas filtrantes DRENAGEM DE ESCAVAÇ 27/59 27/59

28 3.3 Rebaixamento do nível n freático (ii) Agulhas filtrantes Limitações - altura de rebaixamento de 5-6 m, passível de ser aumentada através da instalação de vários andares de agulhas filtrantes (afastadas entre si 0.5 a 2.5 m), a profundidades sucessivas, à medida que a escavação avança. 28/59

29 3.3 Rebaixamento do nível n freático (iii) Sistemas de ejecção Quando se utilizam? - em todo o tipo de solos, incluindo solos finos. Como se coloca em prática? (i) Bombeando água, pelo tubo de ejecção, da superfície para o fundo do furo, onde (ii) Um estreitamento gradual de secção provoca uma diminuição da pressão; (iii) O vácuo criado suga a água do solo para uma câmara de sucção, juntando-a à água ejectada; (iv) Este caudal passa por um alargamento gradual de secção, aumentando a pressão, o que lhe permite atingir a superfície e ser encaminhado para um ponto de descarga. 29/59

30 Ejectores Compostos por um ou dois tubos, consoante caudal de ejecção circule no espaço anelar por fora do tubo de subida (1 tubo) ou em tubo próprio (2 tubos) Vantagens Permite atingir profundidades de cerca de 25m 3.3 Rebaixamento do nível n freático (iii) Sistemas de ejecção Limitações A eficiência de um único ejector é reduzida Um tubo Dois tubos 30/59

31 Quando se utiliza? - em solos muito pouco permeáveis. 3.3 Rebaixamento do nível n fre vel freático (iv) Electro-osmose osmose Como se coloca em prática? - a instalação no solo uma diferença de potencial entre dois pólos (cátodo e ânodo) provoca o deslocamento das partículas de água para os cátodos, de onde são bombeadas para um local adequado. Limitações - débitos bastante baixos 31/59

32 3.3 Rebaixamento do nível n freático Quando se utiliza? (v) Captação horizontal - em escavações que se desenvolvem por longos trechos de pequena profundidade; - NF elevado - quando a permeabilidade horizontal é superior à vertical. Como se coloca em prática? - utilizando tubos flexíveis perfurados, colocados mecanicamente num meio com solos granulares homogéneos. A drenagem é feita graviticamente (quando existe pendente suficiente) ou através de bombagem (com bombas centrífugas à superfície). 32/59

33 3.3 Rebaixamento do nível n freático Captação horizontal Execução da vala Colocação do dreno Dreno executado 33/59

34 3.4 Métodos M de exclusão Inconvenientes associados ao processo de bombagem de água: - assentamento do solo; - atrito negativo nas estacas; - exposição de estacas em madeira a oxigénio - possibilidade de serem afectadas reservas dos aquíferos nas proximidades da obra (redução temporária do fornecimento e qualidade da água nos poços da região); - erosão do solo devido às descargas da água extraída; -etc.. 34/59

35 3.4 Métodos M de exclusão Em que consistem? Execução de barreiras estanques (verticais ou horizontais) que impedem o acesso da água à escavação (pelo que não chega a verificar-se a sua extracção). Solução mais desejável Prolongar estrutura de contenção até se atingir estrato impermeável, abaixo do fundo da escavação, devendo esta penetrar até uma profundidade suficiente para garantir o tamponamento horizontal da escavação. 35/59

36 3.4 Métodos M de exclusão (i) Congelação do solo Em que consiste? Na extracção do calor do solo até que a água intersticial congele, formando uma cortina de solo congelado à volta da escavação (que veda a passagem de água para o seu interior). Como se coloca em prática? Fazendo circular salmoura (água salgada) a baixas temperaturas ou azoto líquido pelo interior de tubos duplos, cravados em redor da escavação, em série ou em paralelo. 36/59

37 3.4 Métodos M de exclusão (i) Congelação do solo Tubo exterior (aço) Fica em contacto com o terreno, por onde se faz a troca de calor; Tubo interior (plástico) Para injecção ou retorno do fluido (conforme montagem); Tubo interior para injecção Tubo interior para retorno 37/59

38 Funcionamento de congelador a salmoura 3.4 Métodos M de exclusão (i) Congelação do solo Salmoura - circuito fechado; - espaçamento entre tubos de m. Azoto líquido - circuito aberto; - diâmetro e espaçamento entre tubos menor; - mais caro; - mais rápido. Funcionamento de congelador a azoto líquido 38/59

39 Em que consistem? Na materialização de paredes de lama (de bentonite ou cimentobentonite) em redor de escavações a céu aberto. Quando se utilizam? - em solos granulares (siltes, areias, gravilhas). Como se coloca em prática? 3.4 Métodos M de exclusão (ii) Paredes de lamas bentoníticas ticas Bombeando a lama para o interior de trincheiras, com o avançar da escavação. Equipamento - profundidades até 10 m: retroescavadoras; - profundidades superiores (até 30 m): balde de maxilas (normalmente utilizado para a execução de paredes moldadas). 39/59

40 3.4 Métodos M de exclusão (iii) Estacas-prancha Em que consistem? Em painéis metálicos (ou de madeira ou de betão armado) ancorados / escorados, ou não, justapostos verticalmente, de modo a formar uma cortina praticamente estanque. 40/59

41 Em que consistem? Em elementos de betão armado (e = 0.4 a 1.5 m) de grande rigidez perpendicularmente ao seu plano, ancoradas / escoradas, ou não, que funcionam como barreira estanque. Quando se utilizam? - quando existem estruturas de grande importância muito susceptíveis a assentamentos perto da nova construção; - em terrenos arenosos ou pouco consistentes, com nível freático elevado. - quando se pretende incorporar a parede na estrutura definitiva; - quando se pretende que a parede seja praticamente estanque por si só; 3.4 Métodos M de exclusão (iv) Paredes moldadas 41/59

42 Em que consistem? Estacas moldadas no solo, executadas de forma a constituírem uma cortina praticamente estanque à passagem de água (em simultâneo com contenção de terras no tardoz da escavação). Quando se utilizam? - quando existem estruturas de médio e grande porte situadas perto da nova construção enterrada (mas não excessivamente sensíveis a deformações); - em túneis, em zonas urbanas. 3.4 Métodos M de exclusão (v) Cortinas de estacas moldadas 42/59

43 3.4 Métodos M de exclusão Formas de execução (v) Cortinas de estacas moldadas espaçadas tangentes secantes 43/59

44 3.4 Métodos M de exclusão (vi) Jet grouting Em que consiste? Na construção de barreiras estanques através de jactos, a alta pressão, de argamassa não retráctil, que destroem deliberadamente a estrutura do solo, substituindo-a por uma mistura solo - argamassa, com a forma cilíndrica. Métodos de execução a) Mistura local da argamassa directamente no solo; b) Substituição do solo escavado por argamassa misturada com solo. 44/59

45 3.4 Métodos M de exclusão (vi) Jet grouting 45/59

46 3.4 Métodos M de exclusão (vi) Jet grouting 46/59

47 Em que consiste? Injecção de argamassa, a baixa pressão, que vai sendo assimilada pelo solo. Quando se utiliza? 3.4 Métodos M de exclusão (vii) Injection grouting - colmatação de fissuras e vazios em rochas e elementos estruturais; - criação de membranas relativamente impermeáveis. 47/59

48 3.4 Métodos M de exclusão (viii)) Cortinas horizontais Em que consistem? Na selagem da base da escavação (com argamassa ou betão), de forma a reduzir o afluxo da água a partir de um estrato permeável situado abaixo desta. Quando se utilizam? - em escavações profundas; - quando é economicamente inviável prolongar barreiras estanques até se atingir maciço rochoso ou estrato impermeável. 48/59

49 3.4 Métodos M de exclusão (viii)) Cortinas horizontais Opções de materialização - Técnica do betão imerso (i) Escavação, sem extracção de água, até ao nível das fundações (ii) Betonagem (através de um funil); (iii) Adquirida a resistência, bombagem da água acima da camada de betão. 49/59

50 3.4 Métodos M de exclusão (viii)) Cortinas horizontais Opções de materialização - Cortina pouco profunda, através de jactos de argamassa (ou betão, eventualmente armado) ancoragem com micro-estacas ou colunas mais profundas feitas com jactos de argamassa. - Cortina mais profunda, por injecção de argamassa no solo 50/59

51 3.4 Métodos M de exclusão (viii)) Cortinas horizontais Opções de materialização - jet grouting 51/59

52 4. ANÁLISE COMPARATIVA 52/59

53 Retenção de águas superficiais 4. ANÁLISE COMPARATIVA DECivil Método Solos possíveis Usos Vantagens Desvantagens Valas Muros Taludes Todos Captação directa Método Bombagem Solos possíveis Areias e seixos Escavações a céu aberto Usos Escavações a céu aberto e superficiais -simples - baratos Vantagens - simples e barato - exige menor capacidade de bombagem - dificultam circulação de equipamento Desvantagens - erosão interna (piping) - levantamento/rotura do solo (heaving) - só se aplica a casos em que NF não se encontra muito acima da profundidade da escavação 53/59

54 Rebaixamento do nível freático 4. ANÁLISE COMPARATIVA Método Solos possíveis Usos Vantagens Desvantagens Poço de bombagem Poço de bombagem com bomba submersível Agulhas filtrantes Sistemas de ejecção Electro-osmose -Seixos a areias finas -Solos muito permeáveis Seixos a areias finas Seixos a areias siltosas Todos -Siltes, argilas e certas turfas -Solos muito pouco permeáveis -Solos em que a filtragem correcta é importante -Bombagens prolongadas Escavações profundas -Escavações a céu aberto -Bombagens para curto espaço de tempo Escavações profundas -Escavações a céu aberto -Consolidação de solos argilosos -Custos de funcionamento aceitáveis -Fácil controlo do arrastamento dos finos no solo -Sem limite de rebaixamento -Possibilita a aplicação de vácuo -Sem ruído -Instalação fácil e rápida -Custo de instalação baixo -Sem limite de rebaixamento -Custo de instalação baixo -Único método possível em solos mais impermeáveis -Custo de instalação elevado -Ruído de bombagem por sucção -Limite com bomba de sucção: 4-5m -Custo de instalação elevado -Difícil instalação em solos rochosos -Ruído -Limite de sucção: 5-6m -Implica o conhecimento das camadas de solo a drenar -Custos de instalação e operação elevados -Pequeno rendimento Captação horizontal -Seixos a areias finas -Solos estratificados -Escavações com desenvolvimento em planta -Menor caudal para o mesmo rebaixamento -Rápida colocação -Pequena profundidade de escavação -NF elevado 54/59

55 4. ANÁLISE COMPARATIVA Métodos de exclusão - Temporários Método Solos possíveis Usos Vantagens Desvantagens DECivil Congelação do solo Todos ou rocha, de preferência saturados Sem restrição - confere resistência mecânica ao solo - necessário tempo para refrigeração Paredes de lamas bentoníticas Estacas-prancha Solos granulares (seixos, areias ou gravilhas) Todos (sem obstruções à introdução das estacas) Sem restrição Sem restrição - efectivo para dentro da face da escavação - instalação rápida - solução tipo parede moldada, mas mais barata - pode ser introduzida em camada impermeável - método bem estudado - instalação rápida - custos de instalação e da central de refrigeração elevados - requer controlo estrito - precisa de suporte adequado - custo aumenta com profundidade e resistência do solo - ruído e vibrações durante a instalação - caro (caso não haja aproveitamento das estacas) - possibilidade da protecção não ser estanque 55/59

56 4. ANÁLISE COMPARATIVA Métodos de exclusão - Permanentes Método Paredes moldadas Cortinas de estacas Jet grouting Injection grouting Solos possíveis Todos Todos -Todos -Rochas fracas -Areias e gravilhas -Rochas fissuradas Usos Caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas Caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas Sem restrição Preenchimento de fissuras e vazios, para formar barreiras à água Vantagens - podem ser incorporadas na estrutura - baixo ruído e vibração - podem ser colocadas muito perto de fundações já existentes - baixo ruído e vibração - podem ser colocadas muito perto de fundações já existentes - instalação rápida - solução tipo parede moldada, mas mais barata - pode ser introduzida em camada impermeável - equipamento simples, com possibilidade de uso em espaços confinados - custo muito elevado (se não forem incorporadas na estrutura) - equipamento relativamente pesado - dificuldade em garantir estanqueidade em todo o desenvolvimento -caro Desvantagens - requer uma barreira relativamente espessa para assegurar a continuidade - fácil controlo de dimensões e uso de material Cortinas horizontais Todos Piso térreo de caves, estacionamentos subterrâneos, docas secas - podem ser incorporadas na estrutura - podem funcionar como fundações (ensoleiramento geral) - caras 56/59

57 5. REFERÊNCIAS 57/59

58 5. REFERÊNCIAS DECivil - BRITO, Jorge de, Drenagem de Escavações, Instituto Superior Técnico, COELHO, Silvério, Tecnologia de Fundações, Edições E.P.G.E., 1ª Edição, XANTHAKOS, Petros P., ABRAMSON, Lee W., BRUCE, Donald A., Ground Control and Improvement, John Wiley & Sons, Inc., Foundations Engineering Handbook, Editado por FANG, Hsai-Yang, Van Nostrand Reinhold, 2ª Edição, /59

59 Trabalho realizado com o apoio do Programa Operacional Sociedade da Informação - POSI 59/59