Obras Geotécnicas. Mecânica dos Solos e das Rochas (3º/2ºS) Obras Geotécnicas (4º/2S)

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1 Obras Geotécnicas Mecânica dos Solos e das Rochas (3º/2ºS) Análise de Estruturas Geotécnicas (4º/1ºS) Obras Geotécnicas (4º/2S) Área de Especialização Geotecnia 4º ano 2º semestre Estruturas de Betão II 5º ano - 1º Semestre Engenharia Sísmica Geotécnica Escavações e Obras Subterrâneas Fundações e Obras de Aterro Modelação Avançada em Geotecnia 5º ano 2º Semestre 2 opções livres

2 Obras Geotécnicas DECivil Dep. Engª Civil e Arq. Jaime Santos (responsável) Alexandre Pinto Rui Gomes DEMG Dep. Engª Minas e Georrecursos Edite Martinho Manuel Francisco Costa Pereira José Manuel Marques António Maurício 2

3 Programa da disciplina Reconhecimento e prospecção geotécnica. As obras geotécnicas. Sondagens mecânicas. Cortes estratigráficos. Ensaios in situ e sua relação com os ensaios de laboratório na definição de parâmetros de cálculo. Estabelecimento de perfis geotécnicos. 3

4 Programa da disciplina Aplicação dos conceitos da mecânica das estruturas geotécnicas e da verificação da segurança ao projecto geotécnico de estruturas geotécnicas mais frequentes: suportes do terreno e fundações superficiais e profundas (estacas). Referência aos casos de túneis, escavações profundas, barragens de aterro, compactação... 4

5 Trabalhos (4,5 val.): compactação de solos cartografia Avaliação relatório de 1 aula de campo Exame (15,5 val.) Nota mínima do exame (6,2 val.=8/20=40%) 5

6 Volumetria e gravimetria V - volume total Vs - volume das partículas sólidas Va Ar Wa Vv - volume dos vazios Vv V w - volume da água V a - volume do ar V w Água W w V W - peso total Partículas W s - peso das partículas sólidas V s W s sólidas Ww - peso da água Wa - peso do ar (Wa = 0) W 6

7 a) Relações volumétricas teor em água: porosidade: Volumetria e gravimetria Alguns parâmetros índice e relações úteis V v e = γ ( w) t = γ h = γ d 1+ S r V s V (% ) = w 100 V V v γ Gs 1+ + e d = γ w = W V s w W ( ) w % = 100 W s S r = G e s w 7

8 Parâmetros índice Parâmetros índice: curva granulométrica, d 10, d densidade das partículas - G s limites de consistência w L ; w P ; IP Solos finos Índice de liquidez id (I L ) I L =(w-w P )/(w L -w P ) Índice de consistência (I c ) I c =(w L -w)/(w L -w P ) Solos granulares Compacidade d relativa (I D ) I D =(e máx -e)/(e máx -e mín ) 8

9 ação de Solos oo

10 A compactação consiste no processo mecânico que, através de uma aplicação repetida e rápida de cargas ao solo, conduz a uma diminuição do seu volume, (diminuição do índice de vazios e aumento do peso volúmico seco). Redução de volume por expulsão de ar dos vazios do solo. Sem alteração significativa do teor em água (nem alteração do volume das partículas sólidas). 10

11 A compactação provoca um aumento do grau de saturação visto que o volume de vazios sofre uma diminuição por expulsão do ar. Contudo a expulsão de todo o ar, não é possível, verificando-se que fica sempre algum ar aprisionado entre os grãos de solo. A área de contacto das partículas sólidas aumenta, aumentando assim a resistência do solo e diminuindo a sua deformabilidade. Além disso, o solo torna-se menos permeável. 11

12 Peso volúmico seco ( γ d ) Curva de compactação Curvadesaturação Curva de saturação (relação w-γ d ; S r =100%) γ d máx Curva de compactação (relação w-γ γ d experimental) (w ópt, γ d máx ) ramo seco ramo húmido w ópt Teor em água ( w) 12

13 Peso volúmico seco ( γ d ) Curva de compactação Curva de saturação Curva com S r =90% Curva com S r =80% γ d máx O óptimo corresponde habitualmente a graus de saturação entre 85 e 95% ramo seco ramo húmido w ópt Teor em água ( w) 13

14 Peso volúmico seco ( γ d ) Curva de compactação (E1) Curva de compactação (E2) Curva de saturação E2>E1 Efeito da energia de compactação E2>E1 w ópt2 <w ópt1 E2>E1 γ d2 máx > γ d1 máx Teor em água ( w) 14

15 Peso volúmico seco ( γ d ) Peso volúmico seco ( γ d ) Areia siltosa Curva de compactação Curva de saturação Areia argilosa Curvas de compactação de solos com finos Argila Teor em água ( w) Teor em água ( w) Solos com finos Areia uniforme 15

16 Propriedades dos solos compactados do lado seco: resistência ao corte elevada, aumentando com a energia de compactação; variações da pressão da água nos vazios do solo praticamente nula, quando sujeito a carregamento; eventuais fissuras; expansão/colapso do solo (e redução da resistência), quando sujeito a aumento do teor em água. 16

17 Solos compactados do lado húmido: menor resistência e pouco sensível à variação da energia; eventual ocorrência de pressão da água elevada nos vazios do solo; solo com comportamento plástico; praticamente não existe expansão/colapso do solo. 17

18 Ensaio de compactação (LNEC E ) O ensaio consiste na compactação de uma amostra de solo num molde, determinando-se o teor em água e o peso volúmico seco. A repetição deste procedimento para diferentes quantidades de água adicionadas ao solo permite obter a curva de compactação. 18

19 Quadro 1 Ensaios Proctor (E LNEC) Leve (Proctor normal) Tipos de compactação Pesada (Proctor modificado) Molde diâmetro (mm) altura (mm) Pilão 2,49 kg 2,49 kg 4,54 kg 4,54 kg Altura de queda 30,5cm 30,5 cm 47,5 cm 47,5 cm Número de camadas Número de pancadas por camada

20 Quadro 1 Ensaios Proctor (E LNEC) Leve (Proctor normal) Tipos de compactação Pesada (Proctor modificado) Molde diâmetro (mm) altura (mm) Massa do pilão (W) 2,49 kg 2,49 kg 4,54 kg 4,54 kg Altura de queda (h) 30,5cm 30,5 cm 47,5 cm 47,5 cm Número de camadas (n) Número de pancadas por camada (N) Energia específica de compactação N n W h E = V E 0,6 MNm/m 3 (compactação leve) E 2,7 MNm/m 3 (compactação pesada) 20

21 Molde pequeno: % material retido #4 (4,75 mm) 20% Molde grande: em todos os casos e aplicável até % material retido #3/4 (19 mm) 20% 21

22 Em campo, a energia de compactação pode ser transmitida ao solo por: pressão; impacto e vibração. Os equipamentos de compactação são também divididos em três categorias: cilindros estáticos, compreendendo os cilindros de rasto liso de rodas de aço, os cilindros de pneus e os cilindros de pés de carneiro; cilindros vibradores, com as mesmas variantes da categoria anterior; equipamentos de percussão. 22

23 Cilindro de rasto liso (estático ou com vibração) Os cilindros estáticos de rasto liso são utilizados em solos granulares (cascalhos e areias). Como a eficiência destes cilindros em profundidade é pequena, não devem ser utilizadas espessuras de camadas superiores a cerca de 15cm. 23

24 Cilindro de pés de carneiro (estático ou com vibração) Os cilindros estáticos de pés de carneiro são apropriados para a compactação de solos finos, em particular dos solos argilosos, em camadas com espessuras entre 15 e 30cm. 24

25 Cilindro de pneus (estático ou com vibração) Os cilindros estáticos de pneus podem ser utilizados para a compactação de diferentes tipos de solos, excepto para as areias uniformes. 25

26 Os cilindros vibradores têm tido um grande desenvolvimento nos últimos anos. É hoje possível dispor de cilindros vibradores com possibilidade de ajuste da frequência e da amplitude de vibração, maximizando o rendimento do equipamento numa gama muito diversificada de tipos de solos. Além disso, a vibração permite aumentar a eficiência da compactação em profundidade podendo as espessuras de camadas atingir 0,6 a 0,8m. Estes equipamentos têm o seu maior campo de aplicação em todos os tipos de solos granulares, incluindoindo as areias uniformes. 26

27 Aterro Experimental Para permitir o melhor aproveitamento do equipamento de compactação disponível e a determinação dos valores mais convenientes para o número de passagens do cilindro, o teor em água do solo e espessura das camadas, é aconselhável a construção de aterros experimentais com os solos que são utilizados na obra. 27

28 Controlo da compactação O controlo da compactação deve ser feito a dois níveis: durante a execução o controlo deve incidir sobre a granulometria do material, o equipamento utilizado, o número de passagens, a espessura da camada, a quantidade de água adicionada, etc; após a compactação o controlo é realizado comparando os resultados obtidos em campo com os determinados em ensaios de referência realizados em laboratório. 28

29 Controlo da compactação: Teor em água de compactação: Intervalo de valores próximos do óptimo Grau de compactação (GC) GC γ d campo = γ máx d 29

30 Determinação do teor em água (w): 1) Métodos por secagem do solo método da estufa (24h) e método dos infravermelhos (30min) w=(w-ww s )/W s =W w /W s 2) Outros métodos mais expeditos método do álcool, o método do speedy e o método radiactivo 30

31 Método do speedy Compactação O método consiste em fazer reagirosolocomocarboneto de cálcio no interior da garrafa speedy, libertando o gás acetileno que provoca o aumento de pressão no interior da garrafa. Essa pressão é uma medida do teor em água do solo. Aplicação apenas a solos granulares. Seosolotiver finos, a precisão é menor, dada a dificuldade em separar as partículas do 31 solo.

32 Método radiactivo (nuclear) A medição do teor em água faz-se por emissão de neutrões rápidos no solo, que por colisão com os átomos de hidrogénio se transformam em neutrões lentos. Um maior número de neutrões lentos registados no receptor corresponderá, assim, a um maior teor em água. 32

33 Determinação do peso volúmico (γ h =γ d (1+w)=W/V): 1) Método da garrafa de areia e método do balão (densitómetro de borracha). Consistem na determinação do volume de uma cavidade aberta no terreno. A pesagem e a determinação do teor em água do solo retirado da cavidade conduzem ao peso volúmico seco. 33

34 Determinação do peso volúmico (γ h =γ d (1+w)=W/V): 2) Método do volume de água deslocado permite determinar o volume de umaamostra colhida do terreno e revestida com parafina. A pesagem e a determinação do teor em água conduzem ao peso volúmico seco. O método só é aplicável a solos com uma certa coesão que possibilita a formação de torrões. 34

35 Determinação do peso volúmico (γ h =γ d (1+w)=W/V): 3)Ométododoextractoroudo anel volumétrico consiste na cravação no terreno de um anel com dimensões conhecidas. Com a pesagem e a determinação do teor em água obtém-se o peso volúmico seco. 35

36 Método radiactivo (nuclear) O método radiactivo consiste na emissão de raios gama no solo, com determinada energia, procedendo-se à contagem dos raios que chegam ao receptor sem perda de energia. A contagem será tanto maior quanto mais denso estiver o solo. 36

37 Método radiactivo (nuclear) Os equipamentos disponíveis (habitualmente t designados d por gamadensímetros) incorporam as fontes de radiação gama e de neutrões, permitindo assim a determinação do peso volúmico seco e do teor em água. 37

38 Método radiactivo (nuclear) O tempo de medição é de cerca de 1 minuto e o alcance em profundidade pode atingir habitualmente os 30cm. É necessário aferir a curva de calibração do aparelho para o tipo de solo a ser ensaiado através da comparação directa com outros métodos. 38

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