CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DA FORMAÇÃO DE BENFICA GEOTECHNICAL CHARACTERIZATION OF FORMAÇÃO DE BENFICA

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1 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DA FORMAÇÃO DE BENFICA GEOTECHNICAL CHARACTERIZATION OF FORMAÇÃO DE BENFICA Vieira, Ana, LNEC, Lisboa, Portugal, Bilé Serra, João, LNEC, Lisboa, Portugal, Jeremias, Filipe Telmo, LNEC, Lisboa, Portugal, RESUMO Nesta comunicação são apresentados elementos de caracterização geotécnica da Formação de Benfica, parte de uma recolha sistematizada de informação mais recente proveniente de ensaios de laboratório e de campo, patente na bibliografia especializada. Esta unidade geológica, característica da região de Lisboa, surge intercalada entre o Manto Basáltico de Lisboa e os primeiros níveis marinhos do Miocénico Inferior, sendo atribuída ao Paleogénico. Sendo caracterizada por elevadas heterogeneidades vertical e lateral, o comportamento das diferentes unidades desta formação é sempre condicionado pelas características das litologias presentes. ABSTRACT This paper presents an update on geotechnical characterization of the Formação de Benfica unit, based on laboratory and field tests, as published in recent reports and thesis. This characteristic geological unit of Lisbon region is interspersed between Lisbon Basaltic Mantle and Lower Miocene marine period; it is attributed to the Paleogene period. It is characterized by both a high vertical and lateral heterogeneity, thus the behaviour of the different units is conditioned by the characteristics of prevalent lithology. 1. INTRODUÇÃO Nesta comunicação são apresentados elementos de caracterização geotécnica da Formação de Benfica, parte de uma compilação de informação recente baseada em ensaios de laboratório e de campo, recolhida na literatura especializada. O maior volume dos dados agora apresentados foi obtido em dois trabalhos recentes. Um deles refere-se aos estudos geológicos e geotécnicos efectuados no âmbito do estudo do sublanço Buraca/Pontinha do IC17 CRIL, realizados pela COBA entre 1989 e 24. Em particular, destaca-se um documento mais recente com inclusão dos resultados de uma campanha de prospecção complementar e com a compilação de todos os dados obtidos (COBA 26). O outro trabalho consiste numa tese de doutoramento referente ao estudo do comportamento diferido no tempo dos túneis em NATM do Prolongamento da Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa (Vieira 26). Globalmente, pode considerar-se que a informação até agora coligida, embora contemple uma significativa diversidade de ensaios, é escassa, devido ao reduzido número de ensaios de alguns tipos, face à heterogeneidade desta formação. É igualmente de realçar o facto de se verificar, em alguns trabalhos, uma tendência de predomínio de ensaios de solos finos (Guedes et al e Vieira 26). 2. ENQUADRAMENTO GEOLÓGICO A Formação de Benfica é uma unidade geológica característica da área de Lisboa cujos afloramentos, na margem norte (Figura 1) se desenvolvem segundo três eixos principais (INETI 26): a norte, parte ao longo do vale do rio de Loures, entre Alverca, Vialonga, São Julião do

2 Tojal, Loures e Pinheiro de Loures; ao longo do vale da ribeira de Odivelas, segundo a direcção NE-SW, entre Unhos, Póvoa de Santo Adrião, Odivelas, Carriche, Alfornelos, Benfica e Calhariz de Benfica; a sul, segundo uma direcção WNW-ESSE, entre Calhariz de Benfica, Carnide, Sete Rios e a Av. de Berna. Para além destes afloramentos principais ocorrem ainda pequenas manchas entre as zonas da Praça do Marquês de Pombal, S. Sebastião da Pedreira e a Rua Marquês da Fronteira. Em termos estratigráficos, a Formação de Benfica assenta em descontinuidade Figura 1 Distribuição espacial da Formação de Benfica na sobre o Complexo Vulcâni- margem norte do Tejo co de Lisboa do Cretácico Superior e ocorre subjacente aos primeiros níveis marinhos do Miocénico Inferior (Argilas dos Prazeres), sendo-lhe atribuída idade paleogénica (Éocenico a Oligocénico). Foi descrita primeiramente por Choffat (195), que a subdividiu em cinco membros ou assentadas principais. A mineralogia da fracção argilosa é constituída predominantemente por esmectite e atapulgite (presente praticamente em toda a espessura da Formação de Benfica), verificando-se que existe uma associação preferencial daqueles minerais com o tipo litológico. Assim, a esmectite ocorre em percentagens mais elevadas nos níveis mais detríticos (areníticos), enquanto a atapulgite é o mineral predominante nos calcários, siltitos e argilitos. A presença de esmectite e atapulgite (minerais argilosos expansivos) confere-lhe um comportamento expansivo, característico, sobretudo, das litologias mais finas. 3. COMPOSIÇÃO DO SOLO 3.1. Índices físicos, granulometria e classificação A variação do teor em água, w, de amostras da Formação de Benfica, com a profundidade é mostrada na Figura 2 para os estudos indicados, com os correspondentes limites de liquidez, wl e de plasticidade wp. Verifica-se que w não tem uma evolução clara em profundidade, sendo substancialmente inferior a wp. Os valores de wl são bastante elevados e frequentemente superiores a 6%. Resume-se no Quadro 1 os valores dos limites de consistência juntamente com indicações relativas à composição granulométrica e à Actividade. Globalmente, os solos apresentam elevada plasticidade e retracção volumétrica significativa. Tal como havia sido constatado por Moitinho de Almeida (1991), os pontos correspondentes à relação wl-ip (Figura 3) distribuem-se acima ou próximo da linha A da carta de plasticidade, mostrando uma clara predominância dos solos de média a alta plasticidade. De uma forma geral, as granulometrias obtidas são muito extensas: argilas, argilas siltosas e arenosas, siltes

3 argilosos e siltes arenosos, areias argilosas e areias arenosas, areias e areias com seixos. De acordo com sistema de classificação unificada (ASTM D ), é possível classificá-los da seguinte forma: a) solos grosseiros GM, GC, SM, SC; b) solos finos ML, MH, CL, CH. w (%) Ip (%) CH ou OH Prof. (m) 1 3 CL ou OL MH ou OH 2 Coba 1989 Coba Coba coba 26 ML ou OL Vieira 26 CL-ML Geocontrole Coba Coba 1989 Coba 1995 Moitinho de Almeida wl (%) coba 26 Vieira Geocontrole 1999 Figura 2 Evolução de w, w L e w P em profundidade Figura 3 Posicionamento das amostras na carta de plasticidade Moitinho de Almeida (1991) Quadro 1 Resumo das propriedades índice Guedes et al. Geocontrole (1998) COBA (26) Vieira (26) (1998) méd mín máx méd mín máx méd mín máx méd Mín máx méd mín máx w L ( %) 56, , , ,4 48,7 79,1 w P (%) 29,1 14 7, ,2 21,8 36,1 I P (%) 27,4 9 77, , , ,4 23,4 51,9 w R (%) 21,3 1,9 59, I R (%) 38,9 13,4 62, ,3 15,3 73, Areia (%) ,4 7,9 71, , ,3 Silte (%) 37 7,1 63, ,4 52, ,6 12,1 54 Argila (%) ,2 64, ,8 12,3 3 Actividade 1,58,38 8, ,53,33 3,92 1,32,81 1,78 1,52,75 2,73 γ (KN/m 3 ) 2,8 19,1 22, ,7 18,6 22,9 2, ,1 2,9 2, 22,1 G 2,65 2,5 2, ,71 2,66 2,79 2,72 2,6 2,77 2,78 2,69 2,84 I C 1,48,9 2, ,69 1,16 4,4 1,37,75 2,92 1,35 1,15 1,6 O peso volúmicoγ, médio nas amostras analisadas, apresenta pequena dispersão, variando entre 2,6 e 2,9 kn/m 3. Reflectindo a diversidade mineralógica ponderal, a densidade das partículas sólidas, G, situou-se entre 2,5 e 2,84, sendo a gama de variação dos valores médios entre 2,64 e 2,78. Moitinho de Almeida (1991) evidenciou a existência de uma dependência clara do aumento peso volúmico das partículas com o teor de esmectites, cuja densidade de 2,74 é substancialmente superior à da atapulgite (2,3). Os valores médios do índice de consistência, I C, podem considerar-se apresentar pequena dispersão, tendo variado entre 1,35 e 1,69. Os valores são típicos de solos rijos e sugerem variação reduzida com a profundidade até aos níveis estudados, situando-se os valores coligidos, na sua maioria, na gama 1,25 1,5. Apesar da sua grande dispersão, os valores médios da actividade alcançam valores muito próximos em todos os trabalhos analisados (1,58; 1,53; 1,32 e 1,52).

4 3.2. Expansibilidade A expansibilidade constitui uma das particularidades marcantes dos solos desta formação. Não existindo um procedimento único para o estudo desta propriedade, os parâmetros de caracterização dos terrenos expansivos diferem segundo a situação em análise: impedimento da expansão ou permissão para a sua ocorrência. Na prática, distinguem-se três parâmetros: a pressão de expansão, a expansão livre e o índice de expansão. Na campanha de 1993/94 promovida pela COBA, foram realizados 17 ensaios de determinação do potencial de expansão, segundo a especificação LNEC E2. Nestes ensaios, realizados em amostras classificadas como SM, SC, CL, CH ou MH, a expansão variou entre 14 e 41%, com um valor médio de cerca de 18%. Um valor muito próximo 2% foi obtido por Guedes et al. (1998), com base em três ensaios realizados segundo a mesma especificação. Roxo et al. (1995) realizaram 6 ensaios de expansão de acordo com a metodologia proposta por Jeremias (1993). Os valores de pressão de expansão obtidos apresentam-se muito dispersos, entre 2 e 93 kpa. Determinações da pressão de expansão de acordo com a norma ASTM D foram efectuadas por Vieira (26) na modalidade de expansão livre e de expansão impedida. Num total de 8 ensaios realizados em amostras de classificação SC, MH ou CH, foi obtida uma pressão de expansão média de 19 kpa, numa gama entre 5 e 4 kpa. 4. ESTADO DE TENSÃO IN SITU A avaliação do estado de tensão inicial é determinante para um adequado dimensionamento de obras que envolvam grandes volumes de escavação, como é o caso dos túneis. A complexidade do ambiente de deposição da Formação de Benfica torna a sua estimativa particularmente difícil. No âmbito do projecto da CRIL (LNEC 1994) e da expansão da Linha Amarela (LNEC 1999), foram efectuadas determinações da tensão K horizontal em repouso σ ho com o pressiómetro autoperfurador. Os valores obtidos evidenciam a existência de tensões horizontais elevadas e uma significativa dispersão no coeficiente de impulso em repouso, K. Prof. (m) press. autoperfurador (LNEC 1994) press. autoperfurador (LNEC 1999) press. Ménard (Coba 93/94) press. Ménard - Média corr. empíricas (Vieira 26) Na campanha de 1993/94 foram realizados 46 ensaios com o pressiómetro de Ménard (COBA 26). Apesar de todas as limitações inerentes à obtenção do valor da tensão horizontal neste tipo de ensaio, foi efectuada a sua determinação através do método iterativo de Marsland e Randolph (1977), particularmente indicado para argilas rijas. A compilação efectuada inclui também valores de K estimados a partir de correlações empíricas com o grau de sobreconsolidação OCR (Vieira 26). Para este fim, foram utilizadas as expressões propostas por Brooker e Ireland (1965) e Schmidt (1966). Figura 4 Evolução de K em profundidade Na Figura 4 sumariam-se todos os resultados referidos. Verifica-se uma grande dispersão nos valores de K estimados a partir dos pressiómetros de Ménard. Contudo, em termos médios estes

5 valores são perfeitamente consistentes com os obtidos no pressiómetro autoperfurador. Os valores obtidos a partir das correlações aproximam-se dos valores directos com algum enviezamento no sentido dos limites inferiores da nuvem de pontos. Como seria de esperar, verifica-se uma tendência para a diminuição de K com a profundidade. 5. COMPRESSIBILIDADE UNIDIMENSIONAL E ISOTRÓPICA Os 12 ensaios realizados em 1993/94, 1995 e 26 (COBA 26) envolveram amostras com classificação SC, CL, CH ou ML. Foram neles obtidos valores da tensão de σ' entre 12 e 4 kpa e um valor de 9 kpa, correspondendo a valores de OCR entre,62 e 2,5 e de 7,31, no último caso. Nos mesmos ensaios, os índices de recompressibilidade C r e de compressibilidade C c variaram, respectivamente, entre,2 e,25 e,33 e,22. Serão de colocar algumas reservas aos primeiros valores de σ', uma vez que são reduzidos e pouco consistentes com as p restantes propriedades geotécnicas desta formação. De facto, em virtude do elevado nível de tensões a que os terrenos desta formação já se encontraram submetidos ao longo da sua história geológica, a determinação da tensão de pré-consolidação σ' e de parâmetros de consolidação na zona de compressão virgem torna-se quase inviável com o recurso a edómetros correntes. Somente com edómetros de alta-pressão, que alcancem níveis de tensão vertical suficientemente elevados, é possível ultrapassar σ' e obter, com representatividade, o ramo virgem da curva de p compressão. Os valores obtidos para σ' p por Vieira (26) (amostras com classificação SC, CH, MH), no edómetro de alta-pressão do LNEC, situaram-se entre 9 e 14 kpa (OCR entre 3,32 e 8,57), C r variou entre,116 e,24 e C c entre,126 e,29. O coeficiente de consolidação c v variou entre,71 e 3,76 m 2 /ano (COBA 26) e 1,68 e 6,4 m 2 /ano (Vieira 26). p p 6. RESISTÊNCIA E DEFORMABILIDADE AO CORTE 6.1. Rigidez para pequenas deformações e variação da rigidez com a deformação A informação coligida sobre os valores da rigidez para muito pequenas e pequenas deformações foi obtida em ensaios in situ - ensaios sísmicos, ensaios com os pressiómetros autoperfurador e de Ménard e ensaios laboratoriais ensaios sónicos, ensaios triaxiais convencionais (com ou sem medição interna de extensão), ensaios triaxiais de fluência e ensaios de corte torsional. Na Figura 5 representa-se a evolução de E em profundidade, deduzida a partir dos valores da velocidade das ondas de corte obtidas em ensaios geofísicos. Para profundidades superiores a cerca de 1 m, ultrapassados os níveis de aterro e os níveis mais descomprimidos, os valores de V S, situam-se, na grande maioria entre 5 e 1 m/s, correspondendo-lhe valores de E entre 14 MPa e 55 MPa. Nesta figura, foram também incluídas medições da rigidez para pequenas deformações obtidas em ensaios de corte triaxial com medições locais de deformação (LVDTs submersíveis) e em ensaios de corte torsional (Vieira 26). A boa concordância entre estes resultados e os obtidos nos ensaios geofísicos, sugere que a qualidade de amostragem e de procedimentos de ensaio de que se destaca a saturação sob pressão de confinamento de 2 kpa (pressão média de expansão previamente determinada) terá sido, pelo menos em parte, adequada. Na Figura 6 compara-se a evolução de E, com a profundidade obtida em ensaios sónicos (realizados em grés argiloso), com a obtida com pressiómetros autoperfuradores (para vários ciclos de carga) e de Ménard (realizados em argilas, grés argiloso, margas argilosas, grés calcário e calcários) e em ensaios triaxiais convencionais (COBA 26 amostras com classificação SM, SC, CH ou CH) (Vieira 26 amostras com classificação SC, CH, e MH, para,1%,,1%

6 e,1% de deformação axial) e de fluência (amostras com classificação CH e MH). Como esperado, a gama de valores de E é substancialmente inferior à mostrada na figura anterior, consequência do nível de deformação mais elevado associado a estes meios de ensaio. A correlação entre os valores de E e a profundidade, obtida nos ensaios de fluência de Vieira (26), aproxima razoavelmente os valores de E obtidos nos ensaios triaxiais, para,1% de deformação axial e parte dos obtidos para,1%, assim como os resultantes das medições efectuadas com o pressiómetro autoperfurador e parte das efectuadas com o pressiómetro de Ménard. Os restantes valores de E apresentados são, com excepção dos obtidos nos ensaios com ultrasons (COBA 26), significativamente inferiores. Na Figura 7 representa-se a evolução de valores de E em profundidade, obtidos para diferentes valores de deformação em ensaios triaxiais convencionais, com e sem medições locais de deformação, para duas séries de amostras (argilas siltoso-arenosas CH e MH e grés argiloso CH e SC) (Vieira 26). Tal como esperado, verifica-se uma forte não-linearidade da rigidez com o aumento da deformação e a superioridade dos valores de rigidez obtidos com medições locais. A evolução da rigidez com a deformação, para as argilas, foi comparada com a obtida por Marques (1998) em ensaios triaxiais de compressão nas Argilas dos Prazeres. Os valores de E foram calculados a partir de um valor médio de c u através da relação E u /c u de Jardine et al. (1986) calibrada por Marques (1998), onde foi utilizado um sistema de electroníveis para a medição local de deformação (Figura 8). E (MPa) E (MPa) Prof. (m) Prof. (m) Geofísicos (Coba 26) 4 pressiómetro autoperfurador pressiómetro de Ménard (Coba 26) triaxiais,1% (Vieira 26) triaxiais,1% (Vieira 26) 18 2 Geofísicos (Vieira 26) Triaxial LVDT (Vieira 26) Torsinal LVDT (Vieira 26) 5 ensaios de fluência triaxiais (Coba 26) ultrasons (Coba 26) pressiómetro de Ménard (geocontrole 1999) regress. ensaios de fluência 6 Figura 5 Evolução de E em profundidade (ensaios de cross-hole, triaxiais com LVDTs e torsionais) Figura 6 Evolução de E em profundidade 6.2. Comportamento tensão-deformação, trajectórias de tensão, resistência ao corte nãodrenado e parâmetros de resistência O comportamento tensão-deformação obtido em ensaios triaxiais convencionais para duas litologias distintas (argilas e grés argiloso) é ilustrado na Figura 9 e na Figura 1. Nelas, mostram-se as correspondentes trajectórias de tensão. Nas mesmas argilas foram realizados ensaios

7 de fluência, onde se alternaram acréscimos da tensão distorcional q, com patamares de q constante. E (MPa) 45 E (MPa) medições locais (Formação de Benfica ) medições locais (argilas) 15 medições externas (grés argiloso) 5 medições locais (Argilas dos Prazeres ) medições externas argilas),1,1,1,1 1, 1, ε a (%) Figura 7 Evolução da rigidez com a deformação,1,1,1,1 1 1 ε a (%) Figura 8 Evolução da rigidez com a deformação (comparação com o Miocénico) Os resultados apresentados evidenciam um comportamento sobreconsolidado e fortemente sobreconsolidado e uma diferença significativa de resistência para os dois tipos de solo ensaiados. Os níveis de resistência obtidos nos ensaios de fluência são semelhantes aos obtidos nos ensaios convencionais para o mesmo tipo de terreno (Vieira 26). No Quadro 2 mostra-se o resumo dos valores da resistência não drenada c u coligidos, obtidos em ensaios triaxiais, ensaios de corte directo, com o pressiometro autoperfurador ou através de correlações com a pressão limite em ensaios com o pressiómetro de Ménard. q (kpa) 2 grés argiloso q (kpa) grés argiloso 1 1 argilas 5 5 argila ε a (%) p ' (kpa) Figura 9 Comportamento tensão-deformação (argilas CH/MH e grés argiloso SC) Quadro 2 Valores de c u coligidos Figura 1 Trajectórias de tensão solos argilas CH/MH e grés argiloso SC) Tipo de ensaio Terreno c u c u /σ vc Triaxial convencional (Geocontrole 1999) argilas silto-arenosas ,94 2,8 Pressiómetro autoperfurador (LNEC 1999) ,8 1,2 argilas, grés argiloso, margas Pressiómetro de Ménard (COBA 26) argilosas, grés calcário Triaxial convencional (COBA 26) SM, SC, CH, MH ,64 6,45 Corte directo (COBA 26) SC, CH, MH argila CH, MH ,54,75 Triaxial convencional (Vieira 26) grés argiloso SC, CH ,18 1,83 Triaxial fluência (Vieira 26) argilas CH, MH ,61,81

8 7. NOTAS FINAIS Neste trabalho foram dadas a público informações acerca das características geotécnicas da Formação de Benfica, resultantes de uma compilação de dados experimentais previamente publicados. A sua análise permitiu mais uma vez constatar ser a heterogeneidade uma das características marcantes desta formação, tendo-se revelado na caracterização, na resistência e na rigidez. Não obstante, obtiveram-se valores médios de consistência e de actividade próximos em todos os estudos. Verificou-se que os valores de rigidez para muito pequenas deformações obtidos no campo comparam favoravelmente com os obtidos em amostras de elevada qualidade, utilizando medições locais de deformação, nas quais se tomaram especiais precauções nas fases precedentes ao corte. Perspectiva-se a prossecução da recolha de informação geotécnica de modo a complementar a até agora coligida, da qual somente parte foi apresentada neste trabalho, tendo em vista a sua posterior divulgação e utilização públicas. Pretende-se que nesta informação venham a constar todos os elementos relativos à caracterização geotécnica desta formação que venham a ser obtidoso, quer em trabalhos de prospecção quer no âmbito de investigação. AGRADECIMENTOS Os autores desejam expressar os seus agradecimentos à empresa COBA, S.A., pela disponibilização dos resultados de ensaios conduzidos em terrenos da Formação de Benfica. REFERÊNCIAS Choffat, P. (195). Géologie du Cénozoïque du Portugal. (Publicação póstuma) Com. Serviços Geológicos de Portugal, Lisboa, Suplemento ao Tomo XXX, 182 p. Brooker, E.W.; Ireland, H.O. (1965). Earth pressure at rest related to stress history. Canadian Geotechnical Journal, National, Research Council, Ottawa, Ontario, vol. 2, nº1, pp COBA (26). IC17 Circular Regional Interior de Lisboa. Sublanço Buraca-Pontinha. Memória Descritiva dos Estudos Geológico-Geotécnicos. Geoncontrole (1999). Carriche/Odivelas. Reconhecimento geotécnico. Metropolitano de Lisboa, Ferconsult. Prolongamento Campo Grande/Odivelas, vol. 1. Guedes, T.; Moitinho de Almeida, I.; Prates, S. (1998). Expansibilidade e plasticidade de solos argilosos portugueses. Actas do V Congresso Nacional de Geologia, Comunicações do 1 G. M., 84 (2). INETI. (26). Carta Geólogica de Portugal na escala de 1/5 da folha 34-D, Lisboa. Jardine, R.J.; Potts, D.M.; Fourie, A.B.; Burland, J.B. (1986). Studies of the influence of non-linear stress-strain characteristics in soil-structure interaction. Géotechnique, nº. 3, pp Jeremias, F.T. (1993). Determinação das pressões de expansão em rochas argilosas. Geotecnia, vol.68, pp LNEC (1994). Ensaios com o pressiómetro autoperfurador no local de construção do túnel de Benfica na CRIL. Relatório 12/94 NF, LNEC, Lisboa. LNEC (1999). Ensaios pressiométricos na Linha de Metropolitano Carriche Odivelas. Ensaios em Odivelas. Relatório 59/99 NF, LNEC, Lisboa. Marques, F. R. (1998). Análise do Comportamento de um Túnel Aberto nas Formações Miocénicas de Lisboa. Tese de Mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Marsland, A.; Randolph, M.F. (1977). Comparison of the results from pressuremeter tests and large in situ plate tests in London clay. Géotechnique nº 27, pp Moitinho de Almeida, I. (1991). Características Geotécnicas dos Solos de Lisboa. Tese de Doutoramento, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa. Roxo, R.C.; Oliveira, R.; Melâneo, F. (1995). Contribuição da geologia de engenharia no projecto de túneis urbanos em solos rijos/rochas brandas. O túnel da CRIL em Lisboa. Actas do 5º Congresso Nacional de Geotecnia: pp Schmidt, B. (1966). Discussion of earth pressure at rest related to stress history. Canadian Geotechnical Journal, vol. 3, nº 4, pp Vieira, A. (26). Estudo do Comportamento Diferido no Tempo de Túneis em Argilas Sobreconsolidadas. Tese de Doutoramento, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.