Tarcísio B. Celestino DEPTO. GEOTECNIA EESC USP. EESC USP Themag Engenharia

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1 Tarcísio B. Celestino DEPTO. GEOTECNIA EESC USP EESC USP Themag Engenharia

2 Importância da Geotecnia em MND Material? Obstáculos? Nível d água? Etc. Tarcísio B. Celestino EESC/USP

3 CONHECIMENTO DO MEIO ONDE SE NAVEGA - Condições meteorológicas (aviação) - Condições de mar (embarcações) - Condições de estradas (rodovias) - Condições geotécnicas (MD)

4 FINALIDADES - Escolha do Método - Otimização de parâmetros operacionais - Projeto - Eventual decisão sobre tratamentos - Previsão de impactos (recalques, levantamento, danos em redes próximas, etc) - Etc.

5 - Finalidade da obra - Dimensões - Limitações de acesso - Geotecnia ESCOLHA DO MÉTODO Método - Não há método à prova de qualquer geologia - Não há método que não afete o maciço circunvizinho

6 Tipo de Solo Coesivo (Argila) Sem coesã o (Areia/ Silte) Escolha de Métodos N SPT Substituição de Tubos HDD Microtúnel Cravação de Tubos (Pipe Jacking) Perfuração a Trado N < 5 (Mole) 0 0 * 0 * X N = 5-15 (Rija) * * * * * 0 N > 15 (Rija-dura) * * * * * * N < 10 (Fofa) 0 0 * * * 0 N = (Média) * * * * * 0 N > 30 (Compacta) * * * * * 0 Nível d'água alto X 0 * 0 0 X Matacões 33%D 0 33%D 0 90%D 0 Seção plena em rocha Resitst. Compr. Simples (MPa) *: Recomendado o: Possível X: Não indicado D: Tamanho do maior matacão versus mínimo diâmetro do revestimento N ATM X * (Tabela baseada na hipótese de que o trabalho seja realizado por pessoal qualificado usando equipamento adequado.)

7 Escolha de equipamentos e otimização de parâmetros operacionais

8 Exemplos extremos de escolha de equipamento

9 Exemplo: Escolha de Ferramentas de Corte em HDD

10 Escolha de alargadores em HDD

11 Investigação para HDD (Heinz, 2008) Condições construtivas Condições de comportamento de longo prazo

12 Investigação para HDD (Gelinas e Mathy, 2004)... A indústria geralmente aceitou a necessidade de investigação geotecnica abrangente para HDD a qualidade dos relatórios é muito variável relatórios geotécnicos não fornecem os dados básicos necessários para decisões críticas de projeto e construção.

13 Dados Típicos granulometria posição do lençol freático plasticidade do solo compacidade / consistência resistência variabilidades vertical e lateral obstáculos naturais ou construídos

14 Resultados da utilização de dados geotécnicos projeto do traçado risco de fraturamento hidráulico escolha do fluido de perfuração velocidade de perfuração adequada escolha de ferramentas dimensionamento do tudo etc.

15 Dificuldade de uso de informações geotécnicas HDD relativamente recente (comparado com valas) Importância de informações práticas Feed-back de pesquisas e projetos

16 Fases de Investigação Geotécnica para HDD (Gelinas e Mathy, 2004) 4 fases para: Descrição precisa das condições do subsolo ao longo do traçado. Fornecimento de dados geotécnicos ao projetista e ao construtor para tomada de decisões críticas.

17 Fase I: Pesquisa e Reconhecimento informações publicadas ao longo do traçado: - geologia - propriedades dos solos - lençol freático - história do desenvolvimento da área, aterros, obras subterrâneas, possíveis contaminações (ex. postos de gasolina) estabelecimento do padrão geológico: - solos alterados in situ - ambiente de deposição - fonte de aluviões - etc. reconhecimento do traçado e vizinhanças para verificação das informações publicadas

18 Fase I: (Heinz, 2008) Reconhecimento de campo

19 Observações Fase I Em áreas conhecidas (ex. Bacia Sedimentar de São Paulo) muitas atividades da Fase I são comuns a vários projetos.

20 Fase II: Investigação de Campo e Ensaios de Laboratório Campo - sondagens, SPT e poços - ensaios de penetração de cone - ensaios dilatométricos - investigação geofísica (ex.: posição do topo rochoso) - monitoramento do nível d água Ensaios de laboratório em amostras selecionadas Compilação de Dados Geotécnicos preliminares Necessidade de informação adicional de subsuperfície?

21 Observações Fase II Informações dirigidas: - suscetibilidade escavação - transporte material escavado - estabilidade do furo Propriedades in situ e de amostras deformadas, como: - granulometria - plasticidade - compacidade (areias), consistência (argilas)

22 Fase II Investigação de Campo Suplementar e Relatório Geotécnico Complementação de investigação de campo e ensaios adicionais, onde necessário. Consolidação de dados geotécnicos ao longo do traçado. Relatório geotécnico final com conclusões específicas e recomendações relativas a HDD. Compatibilização de relatório geotécnico com projeto e especificações. Resultados: Traçado ótimo selecionado Dados básicos

23 Fase IV - Construção Atendimento a pedidos de informação e revisão de proposta do construtor. Inspeção de campo e observações do progresso do HDD e da consistência de informação entre solos escavados e dados geotécnicos da Fase III. Eventual revisão do trecho restante. Subproduto: informação para futuros projetos

24 Etapas e Custos Projetos grandes: 4 fases independentes e consecutivas Projetos pequenos: combinação das 3 primeiras fases Custos típicos de investigações: 1% a 5% da construção (depende de complexidade geológica, aspectos críticos do projeto, extensão, etc.) Projetos pequenos: até 20% (Heinz, 2008)

25 Hierarquização de Informações Separar condições geotécnicas que podem: - paralisar construção - apresentar dificuldades Diferentes etapas do processo 1. escavação e mistura do solo com fluido de perfuração. 2. manutenção de furo contínuo e estável através do qual a lama pode fluir. 3. transporte do material escavado em suspensão para permitir inserção do tubo

26 Exemplo de fluido adequado (Ariaratnam, 1999)

27 Granulometria - Transporte Fluido adequado pra transporte Materiais maiores que 76mm: risco para HDD (dificuldade de transporte) Necessidade de poços de grande diâmetro (além de sondagens) para entendimento de quantidade e freqüência de blocos Solos com mais de 50% de cascalho: alto risco para HDD Problemas de suspensão em fluidos: partículas > 19mm Fluidos para tais solos: viscosidade elevada, alta perda de carga

28 Granulometria Estabilidade do Furo Ideal: presença de finos (passando peneira 200) Plasticidade LP Limite de plasticidade LL Limite de liquidez IP Índice de plasticidade = LL - LP

29 Solos Expansivos Inchamento em contato com água Obstrução do furo dificultado circulação de fluido Dificuldade de inserir tubo Presença de minerais expansivos Função de h w, LL, LP, estado de adensamento Naturalmente abaixo do NA não expansivos Muito plásticos tendência a expansão Uso de polímeros para impedir acesso de água Solos muito plásticos a grande profundidade extrusivos

30 Compacidade ou Consistência (areias e argilas) Função de SPT Ex.: argilas moles, duras, etc., areia fofas, compactas, et., afetam: Dirigibilidade: baseada em reação passiva do solo. Mais difícil em areias fofas e argilas moles. Volume de fluido de perfuração maior SPT maior volume de fluido de perfuração. Ferramenta de escavação: mais larga em areias fofas e argilas moles.

31 Heterogeneidades Indicação em direções vertical e horizontal Variabilidade bruscas (por exemplo comuns em aluviões) Condições de mudança (contato entre camadas) ou trechos de condição mista ao longo de interfaces) Dificuldades de dirigibilidade, desvios, etc.

32 Aterros, Obstruções, Contaminação Detectáveis pelo histórico de utilização da área Registrar presença, localização espacial e grau de dificuldade (exemplo grau de contaminação).

33 Levantamento e Fraturamento Hidráulico Normalmente função de fluido inadequado ao tipo de solo.

34 Levantamento de Superfície Perfuração muito rápida (deslocamento e compactação do solo em vez de escavação e suspensão na lama)

35 Fraturamento Hidráulico Normalmente quando pressão de fluido supera tensão efetiva no solo - Planos de fraqueza ou drenagem preferencial - Reaterro granular de tubos ou galerias - Extensão do furo (maior pf) - Mudanças bruscas de relevo - Perfuração com lama muito densa (volume inadequado de fluido ou perfuração muito rápida)

36 Fraturamento Hidráulico P max = γ h + Cu (Delft Geotechnics) P max = γ h + (3k 0 1) k 0 < 1 (no teto do furo) P max = γ h + (3 k 0 ) k 0 > 1 (na parede do furo) (Kennedy et al., 2004)

37 Perda de Fluido Formações muito porosas Fraturas interconectadas (alguns solos saprolíticos) Solos granulares com menos de 12% de finos Fluidos especiais ou tratamentos localizados Proximidade com leitos de galerias ou adutoras tratamento e distância adequada

38 Estabilidade do Furo Problemas em solos grosseiros % finos < 30%: medidas necessárias Medidas função de: - plasticidade da fração fina - compacidade - nível d água

39 Alargadores Solos muito argilosos: menor área, maior diâmetro, ou maior número de orifícios para o fluido. Solos granulares não reativos, maior variedade.

40 Investigações para Pipe-Jacking (Klein, 1991) Tipo de material Topo rochoso Propriedades físicas (resistência, granulometria, plasticidade) Presença de interferências

41 Quantidades mínimas de sondagens Trechos custos (< 60m): 3 furos Trechos longos: espaçamento de 30-40m Profundidades: 1 diâmetro acima e 2 diâmetros abaixo do túnel

42 Matacões Capacidade do equipamento de escavação de triturar matacões

43 Solos coesivos N = γ Z P int S u γ Z tensão vertical no eixo do túnel P int pressão interna na face S u resistência a cisalhamento não drenada N = 1 2 resposta elástica, pequenas deformações N = 4 5 aumento de deformações N > 5 risco de ruptura

44 Redução de N P int pressãodefrente shield de lama shield de frente balançada ar comprimido (máquinas antigas) Aumento de S u tratamento do solo rebaixamento do lençol freático

45 Solos não Coesivos - Acima ou abaixo do N.A. - Rebaixamento efetivo

46 46 Recalques Bacia em Forma de Curva de Gauss (Peck, 1968) Volume da Bacia 2,5 i δ max Settlements

47 Peck (1968); Schmidt (1969) S ( x) = S máx e i x 2 2 V s = S máx i 2π γ t = S máx i e i R n V z s = ν s = 2 R Vt Settlements n = f (tipo de solo) e.g.: n 0.8 para argilas moles 47

48 Macaqueamento - Atrito Sobre-escavação Tixotropia (paralisações) rocha: 2-3 kn/m² argila, silte: 5-20 kn/m² areia abaixo N.A.: kn/m² areia acima N.A.: kn/m² Estações intermediárias Lubrificação Experiência Terciário de São Paulo; Matsui, 1997

49 Arrebentamento de Tubos Resistência e deformabilidade do solo (Stein, 2001)

50 Bacia de levantamento n R z R i = 2 p b V V α = 2 π max u i V b = e i u t max = γ ) ( 2 2 V N P R R V = π

51 Argilas, areias: n=0,8 a 1,0 Solos porosos: α<1 Solos sem variação de volume: α=1

52 Perfuração percussão não direcional Condições ideais de solos (Simicevic e Sterling, 2001) Solos compressíveis Argilas Siltes Turfas Areias fofas Areias compactas (menos)

53 Considerações Finais Importância do conhecimento geotécnico para todos os métodos Custos baixos em relação ao empreendimento; benefícios elevados Dependência de modalidade de contratação Poucas investigações no Brasil